传感检测技术及其应用第4章课件

τ一定，ω越高，压高力频变送响器应部越件 好
压电传感器的外形
块、振膜、下塑料块传递到压电
1 石英晶体的压电效应
2 压电陶瓷的压电效应
压电材料开始丧失压电性能的温度
εr ——压电材料的相对介电常数。
电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。
为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。
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第4章 压电式传感器
4.2.2 压电陶瓷的压电效应 ❖压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 ❖材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而 存在电场。
❖在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效 应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电 陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
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压电陶瓷极化处理
第4章 压电式传感E器
✓在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场 方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完 全地转向外电场方向。
✓让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐 地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极 化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。
✓极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。
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第4章 压电式传感器
1) 压电陶瓷的正压电效应 2) 如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片
3) 产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转， 4) 极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面
5) 电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。 6) 当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化强度增大，内部束缚 7) 电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，呈现充电状态。

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。
传感器及检测技术
五、电涡流传感器的应用
1. 低频透射式涡流厚度传感器
U1
L1

1
被 测 金属 板

1
U2
L2
传感器及检测技术
在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下 方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生
传感器及检测技术
第四章

电涡流式传感器
根据法拉第电磁感应原理, 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, 导体内将产生呈涡旋 状的感应电流, 此电流叫电涡流, 以上现象称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按
照电涡流在导体内的贯穿情况, 此传感器可分为高频反射式
性和较高的灵敏度。
传感器及检测技术
3. 电涡流的轴向贯穿深度 所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处
的表面厚度。由于电磁场不能穿过导体的无限厚度， 仅作
用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的电
涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指 数衰减分布规律可用下式表示：
传感器及检测技术解得等效阻抗z的表达式为eqeqeq线圈受电涡流影响后的等效电阻eq线圈受电涡流影响后的等效电感线圈的等效品质因数q值为eqeq传感器及检测技术四电涡流传感器测量电路调频式电路频率计fv电压表传感器及检测技术传感器线圈接入lc振荡回路当传感器与被测导体距离x改变时在涡流影响下传感器的电感变化将导致振荡频率的变化该变化的频率是距离x的函数即flx该频率可由数字频率计直接测量或者通过fv变换用数字电压表测量对应的电压

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2. 等效电路
电涡流传感器的空心线圈可看作变压器的初级线圈L1 ，金属导体中涡 流回路视作变压器次级L2 。当对线圈L1施加交变激励信号时，则在线圈周 围产生交变磁场，环状涡流L2也产生交变磁场。其方向与线圈L1产生磁场方 向相反，因而抵消部分原磁场，线圈L1和环状涡流L2之间存在互感M，M大 小取决于导体和线圈之间的距离 x 。根据基尔霍夫定律可列出如下方程组 线圈
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6. 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。接近开关有电感式、电容式、磁性干簧开关式 （干簧管）、霍尔式、光电式、微波式 、超声波式等，其中电感式接 近开关就是利用电涡流现象。 接近开关的特点：
接近开关与被测物不接 触、不会产生机械磨损和疲 劳损伤、工作寿命长、响应 快、无触点、无火花、无噪
声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安 装、调整方便；缺点是触点容量较小、输出短路时易烧毁。
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目前除有各种通用产品之外，在带有 上下限报警或位式调节的动圈仪表里，普 遍采用高频线圈和指针上的铝片接近后发 出信号的方式工作，它就是电涡流式接近 开关的应用实例之一。 图中是两个按印刷电路工艺制作的平 面线圈，互相对置并串联起来，中间留有 缝隙。当铝片进入缝隙后，线圈的电感就 会减少。 将平面线圈改为单个，即为电感式接近开关。
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三、电涡流式传感器的应用
电涡流探头线圈电感量的大小，与被测物形状、尺寸、电导率、 导磁率、表面因素、距离等有关。如果仅改变一个参数而保持其它 参数不变，就可把该参数的变化转换为电感量L的变化。因此电涡流 传感器广泛应用于对位移、振动、速度、应力、材料表面镀层厚度、 表面损伤、表面温度、表面硬度、材料型号、电解质浓度等进行非 接触式连续测量。 涡流探头图片

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(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
4.3 输出特性
4.3.1 变极距型电容传感器
下图为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr 和S 为常数，初始极距为d0时，由式可知其初始电容量C0为:
C0 =
e0er S d0
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有：
.
.
I
.
cb＝
U
1
i
jwC
.
I cx＝-
U0
1
jwC x
.
.
I cx＝I cb
.
.
U
0＝－CC
x
.
U
i
C
＝
x
eS d
.
U
0＝－UeiSC
d
因此，输出电压与电源电压反向，与电容极板间距成线性关系。
前提是：放大器开环放大倍数
A＝，¥输入阻抗
Z
＝¥
i
Icx
Cx
Icb C
Ii
Ui
∑
A
Uo
运算放大器式电路原理图
4.3.3 变介质型电容式传感器
下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位 高低的结构原理图。
设被测介质的介电常数为ε1, 液面高度为h, 变换器总高度 为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变换器电容值为：
c=
2p ln
e1h D
+
2pe(H ln D
h)
d