第8章 几何量的电测法
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第八章 几何量的电测法
第4到第7章主要介绍了传感器原理与相应的测量电路。 第8到第11章将根据已经学过的各种传感器并配合相应的敏感器，结合被 测参量的分类分章节进行介绍。 温度、压力、物位、流量、成分等五种过程参数的检测。 拓宽：位移、厚度、倾角、物位、转速、振动、力、力矩、压力、温度、流 量、水分、湿度、密度、浓度和气体等参数的检测方法。 本章目录 8.1 位移的电测法 8.2 倾角的电测法 8.3 厚度的电测法 8.4 物（液）位的电测法
光学方法：适用于超薄薄膜的厚度测量。
非光学方法：适用于较厚的薄层和板材的厚度测量
一般来说，各种位移传感器都可用来测量厚度，只要设法使位移传感器的固定部分 和可动部分之间的距离等于或正比于所测厚度即可。
本节内容
8.3.1 电感式和电涡流式 8.3.2 电容式 8.3.3 核辐射式和超声波式
8.3.1 电感式和电涡流式 1）变气隙式自感传感器测厚度
3W sin E h tan
2
图 8－2－1 应变式倾斜角传感器
2
2）位移式
图 8－2－2 电位器式倾角传感器
利用差动电感、差动电容、差动变压器也可与摆锤组成倾角传感器。
8.2.2 液体摆式
图 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ－2－4 电极水准器
图 8－2－5 液体摆式传感器 1.2.3－铂电极；4－导电液；5－圆柱形玻璃管
气隙若用非磁性物质（如纸页）的厚度来代替，则可用变气隙式自感传感器测量 该非磁性物质的厚度。
2）反射式电涡流传感器测厚度
t D d1 d 2 U1 Kd1 U 2 Kd 2 U1 U 2 K d1 d 2 KD Kt
令 U D KD
8.1 位移的电测法 本节内容 8.1.1 位移电测法的分类 8.1.2 位移的间接电测法
8.1.1 位移电测法的分类
线位移 角位移
可用于直接测量位移的传感器 结构型传感器：电位器式传感器、自感式传感器、互感式传 感器（差动变压器传感器）、电涡流式传感器、电容式传感 器、直接编码器等
图 8－1－2 大量程位移传感器结构示意图
c
U0
kU h 2 l2
U
图8-1-4 应变式角位移传感器
0
kE hc 2 l2
2）采用霍尔元件
U H K H IB K H I cx kx B cx
上述方法只能测量0.5毫米左右的位移
图 8－1－5 大位移霍尔位移传感器原理图 利用计数器计取脉冲数即可换算成被测物体的位移。 这种方案的分辨力等于每个小磁钢的间距，测量精度直接与每个小磁钢之间的间距 细分精度有关。
g A H x
液位升高量
差动变压器活动衔铁上升量 图 8－4－5 浮筒式液位计原理图
8.4.3 差压法
1－杯体；
2－定极板； 3－测量膜片； 4－绝缘体； 5－硅油； 6－隔离膜片。
图 8－4－6 电容式差压传感器
a (P C C 4T d
1 2 0
a T d0
动极板的工作半径 动极板初始张力 定、动极板的初始距离
图 8－2－6 双轴倾斜角传感器方框图 1－圆气泡；2－铂电极（正交电极）；3－导电液； 4－公共电极
8.2.3 气体摆式
图 8－2－7 气体摆式倾角传感器 可用于坦克、舰船和机器人的姿态参考系统， 动态范围宽、响应快、精度高、寿命长、成本低。
8.3 厚度的电测法 厚度：两平行面间垂直距离的大小。 厚度的测量方法：
U U D U1 U 2 Kt
图8-3-1 反射式电涡流测厚原理
8.3.2 电容式
图 8－3－2 电容式绝缘薄膜或板材厚度测量原理
图 8－3－3 电容式金属板材厚度测量原理
8.3.3 核辐射式和超声波式 1）核辐射测厚
图8-3-４ 核辐射厚度计原理方框图
2）超声波测厚
3）采用光电器件或者光纤
图5-4-19 遮挡式光电传感器
图7-1-5光强小位移调制距
图 8－1－6 非功能式光纤位移传感器工作原理方框图
图 8－1－7 输 出 特 性
8.2 倾角的电测法 倾角：传感器壳体相对于地球重心方向的偏角或相对于地球水平面的倾角。
本节内容 8.2.1 摆锤式 8.2.2 液体摆式 8.2.3 气体摆式
8.4 物（液）位的电测法 物位：容器中液体物料的液位、粉状或颗粒状固体物料的料位及两种介质相界面位 置的总称。
本节内容 8.4.1 超声波法 8.4.2 浮力法 8.4.3 差压法 8.4.4 电容法
8.4.1 超声波法 超声波液位计工作原理：回声测距。 超声波液位计分类
气介式
液介式 固介式
8.2.1 摆锤式
由于重力的作用，下端悬挂有重物的摆锤总是力图保持铅垂直方向，当传感器 壳体随被测物倾斜时，摆锤将相对壳体摆动一个角度。
摆锤与某些传感器组合即可构成倾角传感器。 （a）图 1－摆锤； 1）应变式 2－硅油； 3－应变梁； 4－应变片； 5－防水绝缘胶 （b）图 1－摆锤； 2－应变梁； 3－应变片
1 1
2 2
g a H 4T d
0
2
若测量敞口容器内的液位，则差压变送器的低压室应与大气相通。
8.4.4 电容法
Cx C0
2 ( 0) H D ln( ) d
传感器电容接入4-2-10所 示二极管环形电桥。
图8－4－9 电容式物位传感器 a 用于测量非导电液体介质的液位 b 用于测量非导电固体散料的料位。
C1 C 2
2
H
P L)
该电容传感器配接一个将电容信号转换成标准电流信号的测量电路，即构成“电容式 差压变送器”。
利用差压变送器测量密闭容器内的液位时，变送器的高压室通过引压导管与容 器下部取压点相通，其低压室则与容器上部（液面以上）密闭空间相通。
图 8－4－7 用差压变送器测液位示意图
C C C C
可用于间接测量位移的传感器（需配合相应的敏感器）
物性型传感器：应变式传感器、霍尔传感器、光电式传感器
结构型传感器：利用其结构参数变化实现信号转换 物性型传感器：其物理特性变化实现信号转换
8.1.2 位移的间接电测法
采用应变片 采用霍尔元件 采用光电器件或光纤
1）采用应变片 悬臂梁式 上下表面的应变大小
图（a） (c)液面高度h 计算公式位h ct 2
图(b)(d )液面高度h 计算公式为h
s
2
a
2
图 8－4－1 超声波物位计的几种测量原理
8.4.2 浮力法 原理：利用液体浮力测液位。
典型应用：抽水马桶
浮子式 浮筒式
浮筒式
H (1
c )x gA
c
弹簧刚度 液体的密度 重力加速度 浮筒的截面积
1 2
h l2
上下表面应变片电阻变化
R1 R h 2 k 1 k 2 R1 R2 l
kU h 2 l2
U0
U
特点：结构简单，但体积大量程小，安装使用也不放便。
E R 2 R
为减小体积，扩大量程，可采用锲形块与悬臂梁配合组成大位移电测装置。
第4到第7章主要介绍了传感器原理与相应的测量电路。 第8到第11章将根据已经学过的各种传感器并配合相应的敏感器，结合被 测参量的分类分章节进行介绍。 温度、压力、物位、流量、成分等五种过程参数的检测。 拓宽：位移、厚度、倾角、物位、转速、振动、力、力矩、压力、温度、流 量、水分、湿度、密度、浓度和气体等参数的检测方法。 本章目录 8.1 位移的电测法 8.2 倾角的电测法 8.3 厚度的电测法 8.4 物（液）位的电测法
光学方法：适用于超薄薄膜的厚度测量。
非光学方法：适用于较厚的薄层和板材的厚度测量
一般来说，各种位移传感器都可用来测量厚度，只要设法使位移传感器的固定部分 和可动部分之间的距离等于或正比于所测厚度即可。
本节内容
8.3.1 电感式和电涡流式 8.3.2 电容式 8.3.3 核辐射式和超声波式
8.3.1 电感式和电涡流式 1）变气隙式自感传感器测厚度
3W sin E h tan
2
图 8－2－1 应变式倾斜角传感器
2
2）位移式
图 8－2－2 电位器式倾角传感器
利用差动电感、差动电容、差动变压器也可与摆锤组成倾角传感器。
8.2.2 液体摆式
图 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ－2－4 电极水准器
图 8－2－5 液体摆式传感器 1.2.3－铂电极；4－导电液；5－圆柱形玻璃管
气隙若用非磁性物质（如纸页）的厚度来代替，则可用变气隙式自感传感器测量 该非磁性物质的厚度。
2）反射式电涡流传感器测厚度
t D d1 d 2 U1 Kd1 U 2 Kd 2 U1 U 2 K d1 d 2 KD Kt
令 U D KD
8.1 位移的电测法 本节内容 8.1.1 位移电测法的分类 8.1.2 位移的间接电测法
8.1.1 位移电测法的分类
线位移 角位移
可用于直接测量位移的传感器 结构型传感器：电位器式传感器、自感式传感器、互感式传 感器（差动变压器传感器）、电涡流式传感器、电容式传感 器、直接编码器等
图 8－1－2 大量程位移传感器结构示意图
c
U0
kU h 2 l2
U
图8-1-4 应变式角位移传感器
0
kE hc 2 l2
2）采用霍尔元件
U H K H IB K H I cx kx B cx
上述方法只能测量0.5毫米左右的位移
图 8－1－5 大位移霍尔位移传感器原理图 利用计数器计取脉冲数即可换算成被测物体的位移。 这种方案的分辨力等于每个小磁钢的间距，测量精度直接与每个小磁钢之间的间距 细分精度有关。
g A H x
液位升高量
差动变压器活动衔铁上升量 图 8－4－5 浮筒式液位计原理图
8.4.3 差压法
1－杯体；
2－定极板； 3－测量膜片； 4－绝缘体； 5－硅油； 6－隔离膜片。
图 8－4－6 电容式差压传感器
a (P C C 4T d
1 2 0
a T d0
动极板的工作半径 动极板初始张力 定、动极板的初始距离
图 8－2－6 双轴倾斜角传感器方框图 1－圆气泡；2－铂电极（正交电极）；3－导电液； 4－公共电极
8.2.3 气体摆式
图 8－2－7 气体摆式倾角传感器 可用于坦克、舰船和机器人的姿态参考系统， 动态范围宽、响应快、精度高、寿命长、成本低。
8.3 厚度的电测法 厚度：两平行面间垂直距离的大小。 厚度的测量方法：
U U D U1 U 2 Kt
图8-3-1 反射式电涡流测厚原理
8.3.2 电容式
图 8－3－2 电容式绝缘薄膜或板材厚度测量原理
图 8－3－3 电容式金属板材厚度测量原理
8.3.3 核辐射式和超声波式 1）核辐射测厚
图8-3-４ 核辐射厚度计原理方框图
2）超声波测厚
3）采用光电器件或者光纤
图5-4-19 遮挡式光电传感器
图7-1-5光强小位移调制距
图 8－1－6 非功能式光纤位移传感器工作原理方框图
图 8－1－7 输 出 特 性
8.2 倾角的电测法 倾角：传感器壳体相对于地球重心方向的偏角或相对于地球水平面的倾角。
本节内容 8.2.1 摆锤式 8.2.2 液体摆式 8.2.3 气体摆式
8.4 物（液）位的电测法 物位：容器中液体物料的液位、粉状或颗粒状固体物料的料位及两种介质相界面位 置的总称。
本节内容 8.4.1 超声波法 8.4.2 浮力法 8.4.3 差压法 8.4.4 电容法
8.4.1 超声波法 超声波液位计工作原理：回声测距。 超声波液位计分类
气介式
液介式 固介式
8.2.1 摆锤式
由于重力的作用，下端悬挂有重物的摆锤总是力图保持铅垂直方向，当传感器 壳体随被测物倾斜时，摆锤将相对壳体摆动一个角度。
摆锤与某些传感器组合即可构成倾角传感器。 （a）图 1－摆锤； 1）应变式 2－硅油； 3－应变梁； 4－应变片； 5－防水绝缘胶 （b）图 1－摆锤； 2－应变梁； 3－应变片
1 1
2 2
g a H 4T d
0
2
若测量敞口容器内的液位，则差压变送器的低压室应与大气相通。
8.4.4 电容法
Cx C0
2 ( 0) H D ln( ) d
传感器电容接入4-2-10所 示二极管环形电桥。
图8－4－9 电容式物位传感器 a 用于测量非导电液体介质的液位 b 用于测量非导电固体散料的料位。
C1 C 2
2
H
P L)
该电容传感器配接一个将电容信号转换成标准电流信号的测量电路，即构成“电容式 差压变送器”。
利用差压变送器测量密闭容器内的液位时，变送器的高压室通过引压导管与容 器下部取压点相通，其低压室则与容器上部（液面以上）密闭空间相通。
图 8－4－7 用差压变送器测液位示意图
C C C C
可用于间接测量位移的传感器（需配合相应的敏感器）
物性型传感器：应变式传感器、霍尔传感器、光电式传感器
结构型传感器：利用其结构参数变化实现信号转换 物性型传感器：其物理特性变化实现信号转换
8.1.2 位移的间接电测法
采用应变片 采用霍尔元件 采用光电器件或光纤
1）采用应变片 悬臂梁式 上下表面的应变大小
图（a） (c)液面高度h 计算公式位h ct 2
图(b)(d )液面高度h 计算公式为h
s
2
a
2
图 8－4－1 超声波物位计的几种测量原理
8.4.2 浮力法 原理：利用液体浮力测液位。
典型应用：抽水马桶
浮子式 浮筒式
浮筒式
H (1
c )x gA
c
弹簧刚度 液体的密度 重力加速度 浮筒的截面积
1 2
h l2
上下表面应变片电阻变化
R1 R h 2 k 1 k 2 R1 R2 l
kU h 2 l2
U0
U
特点：结构简单，但体积大量程小，安装使用也不放便。
E R 2 R
为减小体积，扩大量程，可采用锲形块与悬臂梁配合组成大位移电测装置。
