厚度传感器论文

《厚度传感器的结构及测量原理》《多传感器数据融合在涂层厚度检测中的应用》《冰层厚度传感器及其检测方法》等。共十篇相关资料， 已发送，请查收。

如果满意再追加100分。 2009-03-22 19:31可以再充分点吗？谢谢了

厚度传感器 测量材料及其表面镀层厚度的传感器。它在工业生产中常用于材料厚度检验和厚度控制系统的误差测量。在厚度控制系统中通常不要求测量厚度的绝对尺寸，而只要求测量厚度的变化值或与某一标准尺寸的差值，以便控制加工过程。厚度传感器可分为接触式和非接触式两类。接触式厚度传感器通常采用电感式位移传感器、电容式位移传感器、电位器式位移传感器、霍耳式位移传感器等(见位移传感器)进行接触式厚度测量。为了连续测量移动着的材料的厚度，常在位移传b感器的可动端头上安装滚动触头，以减少磨损。还常采用两个相同的位移传感器分别安装于被测材料的上下两面，将两个传感器的测量值平均，以提高测量精度。接触式厚度传感器可测量移动速度较低(小于5米/秒)的材料,精度可达。非接触式厚度传感器它的特点是适于连续快速测量，按工作原理可分为电涡流厚度传感器、磁性厚度传感器、电容厚度传感器、超声波厚度传感器、核辐射厚度传感器、X射线厚度传感器、微波厚度传感器等。电涡流厚度传感器它可用于测量金属材料厚度，特点是测量范围宽、反应快和精度高。可分为低频透射式(见电涡流式传感器)和高频反射式两类。高频反射式也由上下两个线圈(分别位于金属材料两面)和激励电路及测量电路组成，所不同的是线圈磁场并不穿透金属材料，电涡流效应对磁场的减弱程度与线圈至材料表面的距离有关。材料厚度等于两线圈间的距离减去上下两个测量距离之和。因此根据输出电压即可求出材料厚度。磁性厚度传感器用于测量磁性材料的厚度。图1是这种传感器的原理图。由于所测材料是磁性电路的一部分，故绕于铁心上的线圈的电感与材料的厚度有关。图中线圈又是振荡器的组成元件，因此振荡器的频率决定于线圈的电感。通过测量振荡器的频率可确定线圈电感，从而测出材料的厚度。电容厚度传感器用于测量绝缘材料(如绝缘塑料)的厚度。图2是这种传感器的原理图。在被测绝缘材料的两边设置了两块金属电极板，形成一个电容器。由于电容器的容量与介质厚度有关，而电容器又是振荡器的组成元件，因此通过测量振荡器的振荡频率可确定电容值，从而测出材料的厚度。超声波厚度传感器利用超声振动来检测材料的厚度。超声振动是以气体、液体或固体为介质的机械振动，其振动频率超出音频范围,即高于2万赫。超声振动由变送器产生，变送器将振荡器输出的电信号转换为相应的超声振动。超声波变送器分为磁致伸缩型和压电型两种(见超声波传感器)。磁致伸缩型超声波变送器由线圈和磁致伸缩棒(由铁磁材料制成)组成。在线圈产生的交变磁场的作用下，磁致伸缩棒按磁场交变频率而交替伸缩，它的一端被固定，另一端推拉膜片而产生超声波。压电型超声波变送器由压电材料(一般为石英晶体)制成。当加在压电材料上的电压以超声频率交变时，压电材料随之以超声频率伸缩，并带动膜片而产生超声波。图3是用超声波测量材料厚度的原理图。变送器置于材料上面，使超声波可穿过材料而至另一平面。超声波到达另一平面后再反射回到变送器。在相同条件下，超声波在材料内的往返时间取决于材料的厚度。若往返时间恰好等于超声振动的周期，就会产生共振。在共振时，变送器加给振荡器的负荷会突然改变，随之使振荡器电流相应改变。通过指示器记下电流改变时的振荡频率，就可确定超声波往返一次所需的时间，从而测出材料的厚度。核辐射厚度传感器又称同位素厚度传感器，它利用核辐射线进行测量。可分为穿透式和反射式两类。穿透式传感器由同位素核辐射源和核辐射传感器组成(图4)。被测的塑料料板、纸板、橡皮板等材料在辐射源和传感器之间经过。当射线穿过板材时，一些射线被板材吸收，使传感器接收到的射线减弱。对于密度不变的材料，辐射吸收量随厚度变化，因此可测出厚度。传感器的测量范围与材料密度有关，一般按被测表面单位面积所含质量计算，称为质量厚度(均匀材料的厚度与质量厚度正比)。穿透式核辐射传感器的测量范围在500毫克/厘米2以下。若采用γ射线，则可达100克/厘米2。精度为1%。反射式核辐射厚度传感器利用射线的弹性散射特性测量厚度。射线的反射强度是被测材料厚度的函数，因此测量反射强度就可确定厚度。这种传感器还适于测量镀层或涂层的厚度。镀层或涂层与基层物质的原子序数相差越大，界面处反射差异就越大，测量灵敏度也就越高。这种传感器的测量范围在150毫克/厘米2之内，精度可达1%。X射线厚度传感器它的结构类似于核辐射厚度传感器，不同之处是用X射线源代替核辐射源。特点是X射线的强度可控、发射可控，因此比较安全。测量范围大于10克/厘米2，精度可达1%。微波厚度传感器它利用波长为1毫米至1米的无线电波所具有的强辐射性和极小的绕射性制成。微波传感器受烟、尘、光强等外界影响不大，是一种新型厚度传感器。它由微波发生器、终端器、左右环形器、测量电路、调整电路和转换电路组成(图5)。微波信号由终端器向被测材料发射后，碰到材料反射回来又被终端器接收，因此左环形器左边微波路径的长度(称为电长度)与被测材料的厚度有关，而右环形器右边的电长度由可逆电机控制补偿短路器进行调整。当两侧电长度恰好相等时，对补偿短路器进行调整的量，经转换后变为正比于被测材料厚度的电信号。微波厚度传感器的精度可达1%。当厚度小于毫米时，精度为10%。

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。本文简要介绍其工作原理， 产品特性及其典型应用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 一 霍尔器件的工作原理在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差如图1所示：这个电压和磁场及控制电流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即： I∞B∞VH其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。 二 霍尔传感器的应用1 霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图1所示的接近传感器。它们的功能框见图19。(a)为霍尔线性接近传感器，(b)为霍尔接近开关。 图1 霍尔接近传感器的外形图 a)霍尔线性接近传感器 (b)霍尔接近开关 图2 霍尔接近传感器的功能框图 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。霍尔翼片开关 霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。 图3 霍尔翼片开关的外形图 2 霍尔齿轮传感器 如图4所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。 在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意图如图23所示。图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。 在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。 （1）相位精度高，可满足°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。 （2）可满足度曲轴角的熄火检测要求。 （3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。 用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。 图4 霍尔速度传感器的内部结构 1. 车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器2. 图4 ABS气制动系统的工作原理示意图 3 旋转传感器 按图5所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 (a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式 图5 旋转传感器磁体设置 由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这些应用的实例如图25所示。 图6的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆35来供电和输出。 图6 霍尔流量计 由图7可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。 利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图27所示。 曲线1对应结构图（a）,曲线2对应结构图(b)，曲线3对应结构图(c)。 图7 霍尔车速表的框图 图8 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定 4 在大电流检测中的应用 在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图9示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。 图9（a）为G－10安装结构，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。 (a)G�10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路 图9 多霍尔探头大电流传感器 图10霍尔钳形数字电流表线路示意图 图11霍尔功率计原理图 (a)霍尔控制电路 (b)霍尔磁场电路 图12霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器 图13霍尔电度表功能框图 图14霍尔隔离放大器的功能框图 5 霍尔位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图15示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。 图15 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性 用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。 6 霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图16所示。在图16中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图29中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。 图16 几种霍尔压力传感器的构成原理 7 霍尔加速度传感器 图17示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M，片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压VH的变化。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。 图17 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性 三 小结目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。