3.13.23.3 电阻式传感器电阻式传感器 电容式传感器电容式传感器 电感式传感器电感式传感器敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路被测量被测量中间量中间量电阻电阻电信号电信号3.1 电阻式传感器 电阻式传感器组成电阻式传感器组成 电阻式传感器分类电阻式传感器分类电阻应变式、压阻式、热阻式、光敏电阻电阻应变式、压阻式、热阻式、光敏电阻式、磁敏电阻等式、磁敏电阻等一、应变式传感器一、应变式传感器弹性体应变片F电桥电路 弹性体弹性体 应变片应变片 电桥电路电桥电路 x（力、加速度、荷重等）（力、加速度、荷重等）应变应变 电阻变化电阻变化 电压电压 电阻应变式传感器电阻应变式传感器定义定义 它是利用它是利用弹性敏感元件将被测量转变为其应变弹性敏感元件将被测量转变为其应变,再通再通过粘贴在其上的过粘贴在其上的电阻应变片将应变转换为电阻变化电阻应变片将应变转换为电阻变化，最后通过最后通过测量电路（电桥）转换为输出电压测量电路（电桥）转换为输出电压的装置应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导体应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导体的压阻效应制成的一种转换传感元件的压阻效应制成的一种转换传感元件。
分类：电阻丝应变片和半导体应变片分类：电阻丝应变片和半导体应变片1、电阻丝的应变效应、电阻丝的应变效应2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l 变长、变长、r 变小，导致变小，导致R变大变大金属丝沿轴向受到拉伸或压缩，其阻值增大或减小，金属丝沿轴向受到拉伸或压缩，其阻值增大或减小，此现象为电阻应变效应此现象为电阻应变效应电阻变化（应变）与伸长量的关系？电阻变化（应变）与伸长量的关系？2lSSSS SFF2l图图3-1电阻丝的应变效应电阻丝的应变效应1.电阻丝的应变效应电阻丝的应变效应 设有一长度为、截面积为S、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大LRS0(12)RKR 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R与材料力学中的轴向应变与材料力学中的轴向应变 的关系在很大范围内的关系在很大范围内是线性的，即是线性的，即 在材料力学中，称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。
通常很小，常用10-6表示之例如，当 为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m在应变测量中，也常将之称为微应变()对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂应变片用于测量力应变片用于测量力F的计算公式的计算公式 由材料力学可知，=F/（SE），所以R/R又可表示为 如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重AEFKRR2、电阻丝应变片的结构与类型、电阻丝应变片的结构与类型 图图 3-2 电阻丝应变片结构电阻丝应变片结构（1）结构结构箔式应变片的外形箔式应变片的外形敏感栅敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化感受应变，并将应变转换为电阻的变化基底基底绝缘及传递应变绝缘及传递应变由纸薄、胶质膜等制成由纸薄、胶质膜等制成粘结剂粘结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结间的粘结覆盖层覆盖层保护作用防湿、蚀、尘保护作用防湿、蚀、尘引线（低阻易焊）引线（低阻易焊）连接电阻丝与测量电路，输出电参量。
连接电阻丝与测量电路，输出电参量应变片的使用面积和阻值表示其规格应变片的使用面积和阻值表示其规格如（如（310）mm2，120根据制栅工艺的不同分为丝式、根据制栅工艺的不同分为丝式、箔式和薄膜式箔式和薄膜式丝式制作：粘贴工艺丝式制作：粘贴工艺箔式制作工艺：照相制版或光刻技术箔式制作工艺：照相制版或光刻技术薄膜式制作工艺：真空蒸发或真空沉积薄膜式制作工艺：真空蒸发或真空沉积应变片的选择应变片的选择根据测量精度、允许工作电流、散热、体积、是根据测量精度、允许工作电流、散热、体积、是否批量等要求查手册选择否批量等要求查手册选择2）电阻丝应变片的种类）电阻丝应变片的种类 图图 3-3 箔式电阻丝应变片结构箔式电阻丝应变片结构应变片的粘贴：应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力加粘贴力，用浸有酒精或，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗2.2.贴片：在应变片贴片：在应变片的表面和处理过的粘的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶均匀的粘贴胶 ，用镊，用镊子将应变片放上去，子将应变片放上去，并调好位置，然后盖并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面揉和滚压，排出下面的气泡的气泡 。
3.测量测量：从分开的：从分开的端子处，预先用万用端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的发现端子折断和坏的应变片0/XR RKKK3、电阻应变片的特性、电阻应变片的特性（1）应变片的灵敏系数）应变片的灵敏系数K=0,285钢件确定方法：实验测定确定方法：实验测定确定过程：确定过程：应变片FF应力仪测出X电位差计测R/R 图图 3-4 应变片应变片K确定方法确定方法敏感栅是由敏感栅是由n条直线段和（条直线段和（n1）个半径为）个半径为r的的半圆组成半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变拉应变x时时,则各直线段的电阻将增加则各直线段的电阻将增加,但在半圆但在半圆弧段则受到从弧段则受到从+x到到x之间变化的应变即从之间变化的应变即从拉应变过渡到压应变拉应变过渡到压应变2）横向效应）横向效应定性分析定性分析YXabc图图 3-5 应变片的轴向受力与应变片的轴向受力与 横向效应横向效应a点：只有点：只有Xb点：点：既有既有X，又有，又有 Yc点：只有点：只有 Y圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起阻值增加量起着抵消作用。
阻值增加量起着抵消作用因而同样应变阻值变因而同样应变阻值变化减小，化减小，K值减小，此现象为横向效应值减小，此现象为横向效应减小横向效应减小横向效应加长敏感栅纵栅，加宽缩短横栅，消除圆弧加长敏感栅纵栅，加宽缩短横栅，消除圆弧箔式和薄膜式应变片横向效应可忽略箔式和薄膜式应变片横向效应可忽略定量分析定量分析应变片置于二维应力场，即有应变片置于二维应力场，即有 ，又有，又有 xyxxxxyyxxKHKKKRR)1(（3-9）4、应变片的温度误差及补偿、应变片的温度误差及补偿（1）温度误差温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差来的附加误差,称为应变片的温度误差称为应变片的温度误差产因之一产因之一:电阻丝温度系数的影响电阻丝温度系数的影响0(1)TRRT 00TTRRRRT（3-10）产因之二产因之二:试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响影响02020(1(1(SgSggSTlTlTlTT1TTTT1应变丝与试件的线膨胀系数分别为 和当温度变化时，应变丝长度为：l）试件长度为：l）电阻丝附加长度变形为：l=l-l）（3-11）（3-12）（3-13）0(TTgSlTl热应变为：）0000000000(/(TTgSTTTgSTTgSRR KR KTRRRRTR KTRRTTKK 电阻丝电阻变化值）总电阻变化）总的热应变=）（3-15）（3-14）（3-16）（3-17）（2）温度补偿温度补偿 方法一方法一:应变片的自补偿法应变片的自补偿法 特种应变片 T0T=000()0()tTgstgsTTKK 电阻丝材料与被测材料配合恰当。
电阻丝材料与被测材料配合恰当选择式应变片的自补偿法选择式应变片的自补偿法（3-18）1212TTTTRRRR、，且222122211111)/)gTTgKRRRRRRK （两段敏感栅的电阻大小选择两段敏感栅的电阻大小选择双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片（3-19）R1R2图图3-6 双金属敏感栅自补偿双金属敏感栅自补偿方法二方法二:桥路补偿法桥路补偿法 补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥 输出无影响输出无影响URRRRRRRRURRRRRRUBBB)()(431341433110 电桥输出电桥输出U 0=A（R1 R4 RB R3）温度补偿条件是什么？（2-20）电桥输出电桥输出Uo=A（R1+R1t）R4(RB+RBt)R3=0 电桥输出电压为电桥输出电压为 Uo=AR1R4K Uo 与与成单值函数关系与温度变化无关成单值函数关系与温度变化无关结论：结论：单臂桥加补偿片可实现温度补偿单臂桥加补偿片可实现温度补偿应变输出R1=R1K（2-21）R3RBR4R1UU0R1RBFF图3-7 桥路补偿方法 5、电阻应变片的测量电路、电阻应变片的测量电路0/R RU C R1R2R4R3UAABDU0图3-8 不平衡直流电桥U0=？等臂电桥四个桥臂均为应变片，感受应变。
U0=？)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU（3-22）URRRRRRRRU)(432132410四个臂为应变片工作时，其电阻变化四个臂为应变片工作时，其电阻变化R)()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU（1）不平衡电桥电路的输出不平衡电桥电路的输出（3-23）1423012340112233443124()()()()()()4R RR RUURRRRUfRRfRRfRRfRRRRRRURRRR由312404RRRRUURRRR01234/4iiiUKUR RK当当Ri R (i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量时，略去上式中的高阶微量（3-24）单臂电桥单臂电桥044URUUKRR1FU0R1R1R4R3UR2图图3-10 单臂电桥单臂电桥图图3-9 悬臂梁应变悬臂梁应变（3-25）半桥差动电桥半桥差动电桥 R1R2F图3-11 差动直流电桥U0R1R1R4R3UR2R24332211110RRRRRRRRRUU02URUR（3-26）RRUU0R2R2R4R4U0R1R1UR3R3图图3-12 全桥差动电路全桥差动电路（3-27）调节调节RPRP，最终可以，最终可以使使R R1 1/R R2 2=R R4 4/R R3 3（R R1 1、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的等效后的等效电阻）电阻），电桥趋于平衡，电桥趋于平衡，U Uo o被预调到零位，这一过被预调到零位，这一过程称为调零。
图中的程称为调零图中的R R5 5是是用于减小调节范围的限流用于减小调节范围的限流电阻结论：结论：Ri1.387使用场合使用场合:不宜在还原性介质中使用不宜在还原性介质中使用3-48）（2）铜热电阻）铜热电阻测量范围为测量范围为-50+150热电特性为：热电特性为：R t=R0（1+t）Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）分度号分度号不宜在氧化性介质中使用不宜在氧化性介质中使用适于在无水分及侵蚀性介质的温度测量使用场合使用场合（3-49）（3）热电阻的结构）热电阻的结构图3-19热电阻结构图图3-19（a）铜热电阻结构图图3-19（b）铂热电阻结构图利用半导体材料的电阻率电阻率随温度变化而变化的性质而制成的温度敏感元件定义定义随着温度的升高，一方面，半导体的价电子受热激发跃迁到较高的能级产生新的电子空穴对，使载流子数增加，电阻率减小；另外一方面，半导体材料的载流子的平均运动速度升高，阻碍载流子定向运动能力增强，电阻率增大工作机理工作机理2、热敏电阻、热敏电阻半导体热敏电阻主要类型半导体热敏电阻主要类型正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻PTC和负温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻NTC。
主要用于控温、保护等场合如半导体器件的过热保护电机、变压器、音响设备的安全保护等PTC的应用场合的应用场合NTC热敏电阻主要用于测温和温度补偿NTC的应用场合的应用场合RT=R0e B(1/T1/T0)（1）热电特性）热电特性（RTT）0011ln()/()TRBRTTT=373.15K(100)，T0=293.15K(20)R20、R100 已知，计算B材料常数材料常数B的确定的确定21TTdRBRdtT 温度灵敏度的确定温度灵敏度的确定（3-50）（3-51）（3-52）不同型号的热敏电阻B值不同，它反映T0与T温度之间电阻值变化大小2231003.5%/298310025BBCTC 时（2）热敏电阻的伏安特性）热敏电阻的伏安特性()Uf I()IIIUIIIUR域值域值 图3-20 热敏电阻的伏安特性 工业用铂电阻采用三线制测量电路和四线制测量工业用铂电阻采用三线制测量电路和四线制测量电路3、热电阻传感器的应用、热电阻传感器的应用（1）金属热电阻传感器）金属热电阻传感器温度测量，测量电路采用电桥电路温度测量，测量电路采用电桥电路图3-21 三线制测量电路 ER tR0U0rrrRR三线制补偿原理三线制补偿原理电桥的相临两个桥臂增加了相同导线电阻，差动电桥的相临两个桥臂增加了相同导线电阻，差动输出后，可消除导线电阻的影响。
输出后，可消除导线电阻的影响0000()(,)tCCttRrRrUURR RRRRrRRr000()()()tCCtR RRUURRRR输出电压输出电压（3-53）R fR fRRR1R1R t+U0-I图3-22 四线制测量电路itUIR01fiRUUR四线制补偿原理四线制补偿原理当实际温度低于设定温度时，热敏电阻阻值较大，VT1的基射极间的电压大于导通电压，TV1导通，VT2也导通，继电器J线圈得电，其常开触点J1吸合，电热丝加热发光二极管发光，指示电路处于加热状态当实际温度高于设定温度时，热敏电阻阻值较小，VT1的基射极间的电压小于导通电压，TV1截止，VT2也截止，继电器J1线圈失电，其常开触点J1断开，电热丝断电小温度范围的温度控制2）热敏电阻传感器）热敏电阻传感器 温度控制J1J1图图3-25 温度控制器温度控制器将负温度系数的热敏电阻与小阻值锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联温度补偿温度补偿 补偿原理补偿原理温度变化T，零件阻值变化R1，热敏电阻并联电路阻值变化R2，合理选择电路参数，使120RR补偿方法补偿方法锰铜丝电阻R2R1被补偿元件12RT图3-26温度补偿电路 当光敏电阻受到光照当光敏电阻受到光照时，时，阻值减小。
阻值减小当光敏当光敏电阻受到光照电阻受到光照时，时，光生电光生电子子空穴对增空穴对增加，加，阻值减小，阻值减小，电流增大电流增大暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）、光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构 图图3-27光敏电阻的电极图案光敏电阻的电极图案光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复hgE导带价带uAgREI 图图3-28 光敏电阻工作原理图光敏电阻工作原理图工作原理工作原理需光子能量越高越小越大,0gE)8.1,4.2(eVECdSeeVECdSgg)(12930nmEEchgg临界波长为刚好产生内光电效应的要求：、光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性 （2）基本特性基本特性伏安特性伏安特性一定光照，R一定，I正比于U一定电压，I随着光照E增强而增大暗亮III0（1）主要参数主要参数 图3-29 光敏电阻的伏安特性光照特性（光照特性（IE）光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。
用于自动控制中如光照度计：农作物日照时数测定图图3-30 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性wR9013CRGRA0VcE无光照V0=VL 有光照V0=VH输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数1天查询720次)(24720hNH 图图3-31 光敏电阻的应用光敏电阻的应用 图图3-32 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 光谱特性（光谱特性（Kr%）光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为光谱光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性亦称为光谱响应亦称为光谱响应100%max00IIKr不同材料，其峰值波长不同不同材料，其峰值波长不同同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同敏度不同，响应电流不同应根据光源的性质，选择合适的光电元件，使光应根据光源的性质，选择合适的光电元件，使光电元件得到较高得相对灵敏度电元件得到较高得相对灵敏度频率特性频率特性光敏电阻受到（调制）交变光作用，光电流与频率的关系反映光敏电阻的响应速度)(HZfM3-33 调制原理图转盘GRuA0IE0GfRI3-34光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性mBT0rTIK3-35光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性3-36光敏电阻的光谱温度特性光敏电阻的光谱温度特性电感式传感器的工作基础：电磁感应即利用线圈自感或互感的改变来实现非电量测量按转换原理分为自感式、互感式、电涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好a)变间隙式变间隙式气隙型 b)变面积式变面积式截 c)螺管式螺管式螺管型3-37自感式传感器原理图一、自感式传感器一、自感式传感器(xLU I位移、流量、振动）（自感）（）1、原理、原理线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成三部分组成气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，也较大，线圈的电感量线圈的电感量L和感抗和感抗XL 较小，所以电流较小，所以电流I 较大。
较大当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小121nmmiinmiiIWIWIRRWWLIR 线圈通以有效值为 的交流电，产生磁通为，线圈匝数为W由磁路欧姆定律原理式的推导原理式的推导331211112200001112222231211122002,2()imiiii imiilLLRsSSSSlSlSWWLLLRSSS总磁阻分别为气隙的磁导率、气隙和截面积分别为铁心的磁导率、气隙和截面积分别为衔铁的磁导率、气隙和截面积铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上LRxnimi1气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 002sRm20022sWRWLm 当衔铁上移当衔铁上移时时,传感器气隙减小传感器气隙减小,即即=0,则此时输出电感为则此时输出电感为L=L0+L 线圈的电感为线圈的电感为 3-38变间隙式电感传感器变间隙式电感传感器L-特性特性 当/0时时,u2与与uS同频同相同频同相,uL0当位移当位移x 0时时,u2与与uS同频反相同频反相,uL 0时时,u2与与uS为同频同相为同频同相 当当u2与与uS均为正半周时均为正半周时,uS使使环形电桥中二极管环形电桥中二极管VD1、D4截止截止,VD2、VD3导通导通,得图得图 3-51（b）的等）的等效电路。
效电路u22在RL上产生的电压为)2()2(2)2(1121222LLLLLLLRRnuRRRRnuRRRuu 当u2与us均为负半周时,二极管VD2、VD3截止,VD1、VD4导通其等效电路如图 3-51（c）所示2011(2)LLR uun RR输出电压亦为结论：结论：位移X0,不论u2与uS是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压u0始终为正当当x0时时,u2与与uS为同频反相为同频反相不论u2与uS是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的输出电压u0表达式总是为2011(2)LLR uun RR 相敏检波器输出电压的变化规律不仅反映了位移相敏检波器输出电压的变化规律不仅反映了位移变化的大小，而且反映了位移的方向变化的大小，而且反映了位移的方向结论：结论：位移X0,不论u2与uS是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压u0始终为负1-接头；接头；2-膜盒；膜盒；3-底座；底座；4-线路板；线路板；5-差动变压器线圈；差动变压器线圈；6-衔铁；衔铁；7-罩壳；罩壳；8-插头；插头；9-通孔通孔传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计 图图3-53 微压力传感器微压力传感器 图图3-54 微压力传感器测量电路微压力传感器测量电路三、电涡流传感器三、电涡流传感器 干净、干净、高效的高效的 电磁炉电磁炉 高高频电流通过频电流通过励磁线圈，励磁线圈，产生交变磁产生交变磁场，在铁质场，在铁质锅底会产生锅底会产生无数的电涡无数的电涡流，使锅底流，使锅底自行发热，自行发热，烧开锅烧开锅 内内 的的 食食 物。
物涡流定义：涡流定义：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的感应电流导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电此电流叫电涡流流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应以上现象称为电涡流效应传感器可分为传感器可分为高频反射式和低频透射式高频反射式和低频透射式两类两类分类分类 对位移、厚度、材料损伤等进行非接触式连续测对位移、厚度、材料损伤等进行非接触式连续测应用应用1、高频反射式电涡流传感器、高频反射式电涡流传感器3-55 涡流的产生涡流的产生工作过程信号流程工作过程信号流程 eeiiii涡流）（线圈）(传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系的函数关系式为式为 Z=F（,r,f,x）Z=F（x）（1）工作原理）工作原理（2）等效电路分析）等效电路分析1UL1L212R1R2M2I1I1传感器线圈；2电涡流短路环线圈和导体的回路方程线圈和导体的回路方程111211222()0RIj L Ij M IUj M IRj LI由方程解得线圈等效阻抗Z的表达式为 eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ22222222122222222111Leq线圈受电涡流影响后的等效电感 式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻 线圈的等效品质因数线圈的等效品质因数Q值为值为22222212212121/1eqeqLLRMMRLZRZ 被测量的变化，引起线圈电感被测量的变化，引起线圈电感L、阻抗、阻抗Z和品质和品质因数因数Q的变化，的变化，通过测量电路将通过测量电路将Z或或L或或Q转变为转变为电信号，可测被测量。
电信号，可测被测量可见：因涡流效应，线圈的品质因素Q下降交变磁场交变磁场 电涡流探头电涡流探头外形外形1.线圈 2.框架 3框架衬套4 支架 5电缆 6插头3-58 高频涡流传感器的结构高频涡流传感器的结构 分析上表请得出结论：分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？系？12fLC被测体为非磁材料，线圈的等效电感减小，谐振被测体为非磁材料，线圈的等效电感减小，谐振曲线右移；曲线右移；被测体为软磁材料，线圈的等效电感增大，谐振被测体为软磁材料，线圈的等效电感增大，谐振曲线左移曲线左移定频时，回路失谐，传感器的阻抗及品质因数降定频时，回路失谐，传感器的阻抗及品质因数降低谐振频率谐振频率石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压)(ZfiUoo输出电压为高频载波的等幅电压或调幅电压输出电压为高频载波的等幅电压或调幅电压高频放大器：电平抬高检波电路：取出等幅电压滤波电路：滤出高频杂散信号，取出与距离（振动）对应的直流电压U0当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。
因此，输出电压也随x而变化输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小3-61 输出特性曲线输出特性曲线X在（1/5 1/3）D（线框直径）3-62 12XLfULCUf 鉴频器特性鉴频器特性 使用鉴频器使用鉴频器可以将可以将 f 转转换为电压换为电压 Uo 3-63(a)透射式涡流传感器原理透射式涡流传感器原理 (b)线圈感应电势与厚度关系曲线线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据测厚的依据:E的大小间接反映了的大小间接反映了M的厚度的厚度t（1）工作原理）工作原理发射线圈发射线圈接收线圈接收线圈1112euie12etie（2）影响）影响E的因素的因素/StQSSEeQfQft实验表明：渗透深度激励频率材料厚度材料电阻率频率、材料一定，板越厚，接收线圈频率、材料一定，板越厚，接收线圈E越小板厚、材料一定，频率越高，板厚、材料一定，频率越高，E越小材料一定，不同频率下的材料一定，不同频率下的E与与t的关系的关系 3-64 不同频率渗透深度对不同频率渗透深度对E=f(t)曲线的影响曲线的影响厚板，较低频率厚板，较低频率薄板，较高频率薄板，较高频率为了得到较高的灵敏度，根据板厚选择激励频率。
为了得到较高的灵敏度，根据板厚选择激励频率更换被测材料时,采取变频变频的方法,使渗透深度基本不变,灵敏度不变1）厚度测量）厚度测量 涡流传感器S1、S2 与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2两探头距离为D结构组成结构组成工作原理工作原理x1和x2由涡流传感器测出，经调理电路变为对应的电压值，再经A/D转换器，变为数字量，送入单片机单片机分别算出x1和x2值，然后由公式d=D(x1+x2)计算出板厚D值由键盘设定板厚值送显示器显示调理电路调理电路微机或单片机显示键盘设定Dx1x2d探头A/D转换器图图3-65 高频反射式涡流测厚仪测试系统图高频反射式涡流测厚仪测试系统图位移测量位移测量 位移测量包含：位移测量包含：偏心、间隙、位置、偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等率、冲程、宽度等等来自不同应用领域的许来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或多量都可归结为位移或间隙变化间隙变化数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头偏心和振动检测偏心和振动检测 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。
须使用多个传感器2）转速测量转速测量 若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数，频率计的读数为为f（单位为（单位为Hz），则转轴的转速），则转轴的转速n（单位为（单位为r/min）的计算公式为）的计算公式为 60 fnz特点：可实现非接触式测量，抗污染能力很强最高测量转速可达60万r/min 例：例：下图中，设齿数下图中，设齿数z z=48，测得频率，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速，求该齿轮的转速n电涡流式通道安全检查门电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线圈安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈当有金属物体通过和接收线圈当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物电压的大小、相位来判定金属物体的大小体的大小在安检门的侧面还安在安检门的侧面还安装一台装一台“软软x x光光”扫描仪，它对扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像方法，可合成完整的光学图像。
安检门演示安检门演示当有金属物体穿当有金属物体穿越安检门时报警越安检门时报警（3）涡流探伤）涡流探伤 带钢带钢圆管圆管波接管波接管打压打压制管制管胀波胀波涡流探伤涡流探伤锯切焊头锯切焊头图图3-67 波接管成型工艺流程框图波接管成型工艺流程框图当金属片未靠近探头时，当金属片未靠近探头时，LC并联谐振回路阻抗较大，并联谐振回路阻抗较大，输出电压大设计经处理后的输出电压输出电压大设计经处理后的输出电压V0大于比较器大于比较器的参考电压的参考电压VR比较器输出高电平比较器输出高电平4）三杯式风速传感器）三杯式风速传感器 它的结构是碗式风杯转动轴上的固定的金属片圆盘它的结构是碗式风杯转动轴上的固定的金属片圆盘当风杯受风而转动时，圆盘上的金属片便不断地接近当风杯受风而转动时，圆盘上的金属片便不断地接近或离开涡流传感器探头中的振荡线圈，造成回路失谐，或离开涡流传感器探头中的振荡线圈，造成回路失谐，输出电压下降（磁回路间断短路）输出电压下降（磁回路间断短路）比较器整形电路整形电路滤波器频率计单片机检波器高频放大器高频振荡器转轴风杯外壳转盘LCRV0u0图图3-68三杯式风速传感器及检测系统三杯式风速传感器及检测系统VR风速转换为电脉冲信号。
如频率速度转换常数为1.87HZ/m/s风速为风速为v=f/1.87(m/s)如将脉冲送入单片机的计数口T1，T0定时1分钟计T1中的计数值N，由公式当金属片靠近探头时，LC谐振回路失谐，阻抗下降，输出电压减小V0Ur时，比较器IC1翻转，Rd=1，双稳态触发器复位负半周负半周 Rd=1 Sd=0 ，Q=0 Q=1 C1通过VD1快速放电，Q输出电压U1通过R2对C2充电UG渐增当UGUr时，比较器IC2翻转，Sd=1，Rd=0，双稳态触发器置位Q=1 Q=0在A、B两点输出方波电压uAB经低通滤波器得到其平均值U0从以上的分析可知：比较器的输出控制双稳态触发器的状态双稳态触发器的输出提供差动电容器的电压电容端的电压控制比较器的翻转2）各点电压的波形各点电压的波形 设C1C2 C1充电速度慢于C2充电速度，UA持续时间长于 UB的持续时间21图图3-82脉宽调制电路电压波形脉宽调制电路电压波形121212110UTTTUTTTUC1充电时，零状态响应充电时，零状态响应1 111 11111111(1)(1)lntR CFTR CrruUeUUeUTRCUU输出电压的推导输出电压的推导12121011222lnUCCCCUUUUCRTr同理2101112UUU1201112SSSUUUSSS对变间隙传感器对变面积电容传感器 结论结论 2、转换效率高、转换效率高直流供电直流供电,经过低通滤波器就有较大的直流经过低通滤波器就有较大的直流输出输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。
且调宽频率的变化对输出没有影响1、适用于变极板距离以及变面积式差动、适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器式电容传感器,并具有线性特性并具有线性特性棒状电极（金属管）外棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间起棒状电极与导电液体之间的电容变大的电容变大聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套 液位限位传感器与液位液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量当模拟量，而是给出开关量当液位到达设定值时，它输出低液位到达设定值时，它输出低电平但也可以选择输出为高电平但也可以选择输出为高电平的型号电平的型号智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单：用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定正常使用时，当水位高定正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号号和控制信号设定按钮设定按钮电容式接近开关电容式接近开关接近开关又称无触点行程开关。
它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号电容式接近开关电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C13-83 电容式差压传感器电容式差压传感器1、电容式差压传感器、电容式差压传感器压力差使膜片变形产生位移时，两个电容器电容量压力差使膜片变形产生位移时，两个电容器电容量发生变化发生变化10201SSCCCCCCkP21112CCkPk PCC 122101212222iiiUUUZZCCUk PZZCC配合差动变压器电桥或脉冲调宽电路配合差动变压器电桥或脉冲调宽电路1、结构、结构1Cr2xd1xd2C0d传感器上下两个极板与金属板上下表面间构成电容传感器图图3-84 差动电容测厚传感器差动电容测厚传感器2、差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器调频振荡器调频振荡器计数器8253单片机89C51键盘显示1xC2xC2f1f图图3-85调频式差动电容式测厚传感器原理图调频式差动电容式测厚传感器原理图11xrxdAC21022)(21CCLfx22xrxdAC21011)(21CCLfx21022121414fLCALfdrx22022222414fLCALfdrx定时测频定时测频f1,f2送计数器8253的计数口，单片机定时1秒取8253计数器中的计数值。
即为f1,f2由公式计算得由公式计算得dx1，dx2计算板厚由公式)(210 xxddd1.什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理？应变片的工作原理？2.2.金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别？各自有何优点和缺点何区别？各自有何优点和缺点 3.3.有一个金属电阻应变片，其灵敏度为有一个金属电阻应变片，其灵敏度为K=2.5K=2.5，R=120,R=120,设工作时其应变为设工作时其应变为12001200，则，则RR是多是多少？若将此应变片与少？若将此应变片与2V2V直流电源组成回路，试求直流电源组成回路，试求无应变时和有应变时回路的电流？无应变时和有应变时回路的电流？4.4.应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体，直径为应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体，直径为D=10cmD=10cm，材料的弹性模量为，材料的弹性模量为E=205E=205109N/m109N/m2 2，用它来，用它来称称50t50t重物体，若用电阻丝应变片，应变片的灵敏系数重物体，若用电阻丝应变片，应变片的灵敏系数为为K=2K=2，R=120R=120，问电阻变化为多少？，问电阻变化为多少？5.5.试述应变片温度误差的概念，产生误差的原因和试述应变片温度误差的概念，产生误差的原因和补偿方法？补偿方法？6.6.什么是直流应变电桥？按桥臂工作方式不同，可什么是直流应变电桥？按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自输出电压如何计算？分为哪几种？各自输出电压如何计算？7.7.在等截面的悬臂梁上粘贴在等截面的悬臂梁上粘贴4 4个完全相同的电阻应个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问：变片组成差动全桥电路，试问：（1 1）4 4个应变片应该怎样粘贴在悬臂梁上？个应变片应该怎样粘贴在悬臂梁上？（2 2）画出相应的电桥电路图。
画出相应的电桥电路图8 8、如图、如图1 1为一直流应变电桥图中为一直流应变电桥图中U=4VU=4V，R1=R2=R3=R4=120R1=R2=R3=R4=120，试求：，试求：(1)R1(1)R1为金属应变片，其余为外接电阻当为金属应变片，其余为外接电阻当R1R1的增量的增量为为R=1.2R=1.2时时,电桥输出电压电桥输出电压U U2)R1(2)R1、R2R2都是金属应变片，且特性一致，感受应变都是金属应变片，且特性一致，感受应变的极性和大小相同，其余为外接电阻，电桥的输出电的极性和大小相同，其余为外接电阻，电桥的输出电压压U0U0为多少？为多少？(3)(3)第（第（2 2）问中，如果）问中，如果R2R2与与R1R1的极性相反，且的极性相反，且R1=1.2R1=1.2，R2=R2=1.21.2电桥的输出电压电桥的输出电压U0U0为多少？为多少？C R1R2AADR3R4U0BU。