傳感器與檢測(cè)技術(shù)-幾何量傳感器及應(yīng)用

第三章幾何量傳感器及應(yīng)用知識(shí)目地通過(guò)本課題地學(xué),認(rèn)識(shí),了解檢測(cè)幾何量地傳感器器件。了解它們地主要特點(diǎn)與能。掌握電容式傳感器工作原理,了解電容式傳感器地基本結(jié)構(gòu),工作類(lèi)型及它們各自地特點(diǎn),了解電容式傳感器地測(cè)量電路及其工作原理;掌握自感式與互感式電感傳感器地工作原理,熟悉電感傳感器地基本結(jié)構(gòu)與工作特,了解電感傳感器地測(cè)量轉(zhuǎn)換電路組成及其工作原理;掌握渦流效應(yīng)地概念,了解渦流傳感器結(jié)構(gòu),工作類(lèi)型與測(cè)量電路原理;掌握超聲波地概念,了解超聲波地折射,反射特,熟悉超聲波探頭結(jié)構(gòu),了解超聲波探頭產(chǎn)生,接收超聲波原理。技能目地通過(guò)本課題地學(xué),要求掌握差動(dòng)電容器工作方式,能根據(jù)不同測(cè)量物理量選擇合適地工作類(lèi)型,正確分析由電容器組成地檢測(cè)系統(tǒng),設(shè)計(jì)基本地電容器檢測(cè)系統(tǒng);掌握差動(dòng)電感工作方式,能根據(jù)不同測(cè)量物理量選擇合適地工作類(lèi)型,正確分析由電感組成地檢測(cè)系統(tǒng)工作原理,能設(shè)計(jì)基本地電感檢測(cè)系統(tǒng);掌握直探頭,斜探頭,雙探頭特與使用方法,了解超聲波探頭耦合劑地作用與使用方法,靈活應(yīng)用超聲波探頭對(duì)相應(yīng)物理量行檢測(cè)。三.一電位器式位移傳感器電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn),如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小,重量輕,精度高,輸出信號(hào)大,能穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大,電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器地種類(lèi)很多,按其結(jié)構(gòu)形式不同,可分為線(xiàn)繞式,薄膜式,光電式等;按特不同,可分為線(xiàn)電位器與非線(xiàn)電位器。目前常用地以單圈線(xiàn)繞電位器居多。三.一.一

電位器位移傳感器原理與基本結(jié)構(gòu)一.

電位器地轉(zhuǎn)換原理二.基本結(jié)構(gòu)由于測(cè)量領(lǐng)域地不同,電位器地結(jié)構(gòu)不同,但是其基本結(jié)構(gòu)是相近地。電位器通常都是由骨架,電阻元件及活動(dòng)電刷組成三.一.二

電位器傳感器負(fù)載特三.一.三電位器傳感器地應(yīng)用實(shí)例一.電位器式位移傳感器二.電位器式壓力傳感器三.

電位器式加速度傳感器三.二電容式幾何量傳感器三.二.一電容式傳感器工作原理及類(lèi)型當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式（三-六）地A,d或發(fā)生變化時(shí),電容量C也隨之變化。如果保持其兩個(gè)參數(shù)不變,而僅改變其一個(gè)參數(shù),就可把該參數(shù)地變化轉(zhuǎn)換為電容量地變化,通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此,電容式傳感器工作方式可分為變極距式,變面積式與變介電常數(shù)式三種類(lèi)型。一變極距式電容傳感器差動(dòng)工作方式極距變化型電容傳感器地優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特好,靈敏度與精度極高（可達(dá)nm級(jí)）,適應(yīng)于較小位移（一nm～一μm）地精度測(cè)量。但傳感器存在原理上地非線(xiàn)誤差,線(xiàn)路雜散電容（如電纜電容,分布電容等）地影響顯著,為改善這些問(wèn)題而需配合使用地電子電路比較復(fù)雜。二變面積式電容傳感器差動(dòng)式結(jié)構(gòu)三變介電常數(shù)式電容傳感器三.二.二電容式傳感器地轉(zhuǎn)換電路一.流電橋二.調(diào)頻電路三.運(yùn)算放大式電路四,脈沖寬度調(diào)制電路五.二極管雙T型流電橋三.二.三電容式傳感器地地應(yīng)用一.電容式接近開(kāi)關(guān)二.電容式油量表三.電容式差壓傳感器四.電容測(cè)厚儀三.三電感式幾何量傳感器三.三.一自感式傳感器一.基本工作原理(一)變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器（二）螺線(xiàn)管式（開(kāi)磁路式）自感式傳感器圖三-三零差動(dòng)自感式傳感器輸出特二.自感式傳感器地測(cè)量電路(一)變壓器流電橋(二)帶相敏整流地流電橋圖三-三二帶相敏整流地流電橋電路圖三-三三鐵心處于初始衡位置時(shí)地等效電路(a)流電正半周等效電路(b)流電負(fù)半周等效電路相敏整流流電橋輸出特三.自感式傳感器應(yīng)用實(shí)例(一)自感式測(cè)厚儀(二)位移測(cè)量三.三.二差動(dòng)變壓器式傳感器一.基本工作原理

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零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)使得傳感器在零點(diǎn)附近地輸出特不靈敏,為測(cè)量帶來(lái)誤差。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì),可采用以下方法:⑴盡可能保證傳感器尺寸,線(xiàn)圈電氣參數(shù)與磁路對(duì)稱(chēng)。⑵選用合適地測(cè)量電路。⑶采用補(bǔ)償線(xiàn)路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。圖三-四零零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)二.測(cè)量電路(一)差動(dòng)整流電路(二)差動(dòng)相敏檢波電路②工作原理圖三-四五相敏檢波電路波形圖三.差動(dòng)變壓器式傳感器應(yīng)用實(shí)例(一)振動(dòng)與加速度地測(cè)量(二)力與壓力地測(cè)量差動(dòng)變壓器式力傳感器電感式微壓力傳感器三.四電渦流傳感器三.四.一渦流效應(yīng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理,塊狀金屬導(dǎo)體置于變化地磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)作切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀地感應(yīng)電流,該感應(yīng)電流被稱(chēng)為電渦流或渦流,這種現(xiàn)象被稱(chēng)為渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成地傳感器稱(chēng)為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)地貫穿情況,此傳感器可分為高頻反射式與低頻透射式兩類(lèi),但從基本工作原理上來(lái)說(shuō)仍是相似地。三.四.二電渦流傳感器地工作原理圖三-五零電渦流傳感器等效電路圖圖三-四九電渦流傳感器原理圖三.四.三電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)與類(lèi)型一.電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)

圖三-五一CZF三型電渦流式傳感器圖三-五二CZF一型電渦流式傳感器二..電渦流傳感器基本類(lèi)型⑴高頻反射式圖三-五三高頻反射式電渦流傳感器⑵低頻透射式三.四.四測(cè)量電路一..電橋電路二.調(diào)幅式（AM）電路三.調(diào)頻（FM）式電路(一零零kHz~一MHz）三.四.五電渦流傳感器地應(yīng)用一.測(cè)量轉(zhuǎn)速二.頻透射式渦流厚度傳感器三.測(cè)位移四.電渦流接近開(kāi)關(guān)五.電渦流探傷三.五超聲波傳感器一.超聲波地概念與波形機(jī)械振動(dòng)在彈介質(zhì)內(nèi)地傳播稱(chēng)為波動(dòng),簡(jiǎn)稱(chēng)波。頻率在二零Hz～二零kHz之間,能為耳所聞地機(jī)械波,稱(chēng)為聲波（可聞聲波）;低于二零Hz地機(jī)械波,稱(chēng)為次聲波;高于二零kHz地機(jī)械波,稱(chēng)為超聲波。聲波頻率地界限劃分如圖三-六四所示。二．聲速,波長(zhǎng)與指向（一)聲速縱波,橫波及表面波地傳播速度取決于介質(zhì)地彈系數(shù),介質(zhì)地密度以及聲阻抗。這里,聲阻抗是描述介質(zhì)傳播聲波特地一個(gè)物理量。（二）波長(zhǎng)超聲波地波長(zhǎng)λ與頻率f乘積恒等于聲速c,即λf=C（三)指向三．超聲波地反射與折射超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì),在兩個(gè)介質(zhì)地分界面上一部分能量被反射回原介質(zhì),叫作反射波,另一部分透射過(guò)界面,在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播,則叫作折射波。四．超聲波地衰減超聲波在介質(zhì)傳播時(shí),隨著傳播距離地增加,能量逐漸衰減,其衰減地程度與超聲波地?cái)U(kuò)散,散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓與聲強(qiáng)地衰減規(guī)律如下:Px=P零e-x(三-五一)IX=I零e-二x三.五.二超聲波探頭及耦合技術(shù)為了以超聲波作為檢測(cè)手段,需要產(chǎn)生超聲波與接收超聲波。完成這種功能地裝置就是超聲波傳感器,慣上稱(chēng)為超聲波換能器,或超聲波探頭。超聲波發(fā)射探頭發(fā)出地超聲波脈沖在介質(zhì)傳到其介面經(jīng)過(guò)反射后,再返回到接收探頭,這就是超聲波測(cè)距原理。一超聲波探頭（一）單晶直探頭（二）雙晶直探頭（三）斜探頭圖三-六七超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖(a)單晶直探頭(b)雙晶直探頭(c)斜探頭（四）聚焦探頭（五）箔式探頭（六）空氣傳導(dǎo)型探頭圖三-六八空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生,接收器結(jié)構(gòu)示意圖二超聲波探頭耦合劑無(wú)論是直探頭還是斜探頭,一般不能直接將其放在被測(cè)介質(zhì)(特別是粗糙金屬)表面來(lái)回移動(dòng),以防磨損。更重要地是,由于超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí),在工件表面不整地情況下,探頭與被測(cè)物體表面間必然存在一層空氣薄層?？諝獾孛芏群苄?將引起三個(gè)界面間強(qiáng)烈地雜亂反射波,造成干擾,而且空氣也將對(duì)超聲波造成很大地衰減。為此,需要將接觸面之間地空氣排擠掉,使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)。在工業(yè),經(jīng)常使用一種稱(chēng)為耦合劑地液體物質(zhì),使之充滿(mǎn)在接觸層,起到傳遞超聲波地作用。常用地耦合劑有水,機(jī)油,甘油,水玻璃,膠水,化學(xué)漿糊等。耦合劑地厚度應(yīng)盡量薄一些,以減小耦合損耗。三.五.三超聲波傳感器地應(yīng)用一．超聲波測(cè)厚二．超聲波物位傳感器三．超聲波流量傳感器四．汽車(chē)倒車(chē)探測(cè)器汽車(chē)倒車(chē)尾部防撞探測(cè)器原理圖本章小結(jié)電位器是一種常用地機(jī)電元件,廣泛應(yīng)用于各種電器與電子設(shè)備。它是一種把機(jī)械地線(xiàn)位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系地電阻或電壓輸出地傳感元件。主要用于測(cè)量壓力,高度,加速度,航面角等各種參數(shù)。電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn),如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小,重量輕,精度高,輸出信號(hào)大,能穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大,電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器地種類(lèi)很多,按其結(jié)構(gòu)形式不同,可分為線(xiàn)繞式,薄膜式,光電式等;按特不同,可分為線(xiàn)電位器與非線(xiàn)電位器。變電容式傳感器是將被測(cè)量地變化轉(zhuǎn)換為電容量變化地一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,分辨率高,抗過(guò)載能力大,動(dòng)態(tài)特好等優(yōu)點(diǎn),且能在高溫,輻射與強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。電容式傳感器分成三種類(lèi)型:變面積式,變極距式與變介電常數(shù)式。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí),變面積式與變介電常數(shù)式電容傳感器具有線(xiàn)地輸出特,變極距式電容傳感器地輸出特是非線(xiàn)地,為此可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)以減小非線(xiàn)。電感傳感器（Inductancesensor）利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈自感量或互感量地變化,而由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流地變化量。電感式傳感器種類(lèi)很多,主要有自感式,變壓器式（互感式）與電渦流式三種。自感式變間隙傳感器有基本變間隙傳感器與差動(dòng)變間隙式傳感器。變壓器式傳感器把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為線(xiàn)圈間互感量地變化。差動(dòng)變壓器地結(jié)構(gòu)形式有變隙式,變面積式與螺線(xiàn)管式等,其應(yīng)用最多地是螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器。電渦流式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,頻率響應(yīng)寬,靈敏度高,測(cè)量范圍大,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),特別是電渦流式傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。應(yīng)用電渦流式傳感器可實(shí)現(xiàn)多種物理量地測(cè)量,也可用于無(wú)損探傷。機(jī)械振動(dòng)在彈介質(zhì)內(nèi)地傳播稱(chēng)為波動(dòng),簡(jiǎn)稱(chēng)波。頻率在二零Hz～二零kHz之間,能為耳所聞地機(jī)械波,稱(chēng)為聲波（可聞聲波）;低于二零Hz地機(jī)械波,稱(chēng)為次聲波;高于二零kHz地機(jī)械波,稱(chēng)為超聲波。超聲波地波型有橫波,縱波與表面波,為了測(cè)量各種狀態(tài)下地物理量,多采用縱波。超聲波具有反射與折射特