傳感器與檢測技術(shù)3

1、 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用本章教學(xué)目標(biāo)本章教學(xué)目標(biāo) （1）了解電容式傳感器的基本概念與種類；）了解電容式傳感器的基本概念與種類； （2）了解電容式傳感器的基本特性；）了解電容式傳感器的基本特性； （3）理解電容式傳感器的工作原理與測量電路；）理解電容式傳感器的工作原理與測量電路； （4）掌握電容式傳感器的應(yīng)用；）掌握電容式傳感器的應(yīng)用；本次課教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)本次課教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：重點(diǎn)：電容式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型、工作特性、測量電路和工作原理。電容式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型、工作特性、測量電路和工作原理。 難點(diǎn)：難點(diǎn)：電容式傳感器測量的基本原理

2、與測量電路及其應(yīng)用。電容式傳感器測量的基本原理與測量電路及其應(yīng)用。 3.1工作原理及結(jié)構(gòu)形式工作原理及結(jié)構(gòu)形式0rAACdd 電容傳感器的理想公式為電容傳感器的理想公式為 d 極板間距離；極板間距離； A 極板面積；極板面積；電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 改變改變d d、A A、 三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量電容量C C 改變。改變。 固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。 聲傳感器應(yīng)用模型聲傳感器

3、應(yīng)用模型第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.1 電容式傳感器工作原理及類型電容式傳感器工作原理及類型 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器。電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器。 根據(jù)電容傳式感器的工作方式可以分為：根據(jù)電容傳式感器的工作方式可以分為： 變極距式變極距式 變面積式變面積式 變介質(zhì)式變介質(zhì)式 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.1.1 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距d，介質(zhì)，介質(zhì)

4、 等保持不變，被測量等保持不變，被測量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.1.1 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距d，介質(zhì)，介質(zhì) 等保持不變，被測量等保持不變，被測量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。 變面積式電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的，稱為變面積式電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的，稱為定定極板，另一個是可移動的，稱為動極板。極板，另一個是可移動的，稱為動極板。第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)

5、用電容式傳感器及應(yīng)用 （a）為平板形位移電容傳感器）為平板形位移電容傳感器 設(shè)兩個相同極板的長為設(shè)兩個相同極板的長為 b，寬為，寬為 a，極板間距離為，極板間距離為 d，當(dāng)動極板移動后，當(dāng)動極板移動后，電容電容 Cx 也隨之改變。也隨之改變。 電容的相對變化量和靈敏度為：電容的相對變化量和靈敏度為：0()xax babxbCCCddd-0CxCaCbKxd 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用（b b）為圓柱線位移電容傳感器）為圓柱線位移電容傳感器 靈敏度靈敏度K K也為一常數(shù)。也為一常數(shù)。液位傳感器hC1CC212212122()ln(/ )ln(/ )xxxhhhCAKhrrr

6、r可見，傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。 2r22r1hx2212ln(/ )hArr12212 ()ln(/ )Krr 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用例例 某電容式液位傳感器由直徑為某電容式液位傳感器由直徑為40mm40mm和和8mm8mm的兩個同心圓柱體組的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm50cm，高為，高為1.2m1.2m。被儲存液體的。被儲存液體的r r 2.12.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)(p

7、F/L)解：解：10pFmmpFrrHC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872 . 146.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用（c）為角位移形式的電容傳感器）為角位移形式的電容傳感器 當(dāng)動極板有一角位移時(shí)，兩極板的相對面積當(dāng)動極板有一角位移時(shí)，兩極板的相對面積A也發(fā)生改變，導(dǎo)致兩也發(fā)生改變，導(dǎo)致兩極板間的電容量發(fā)生變化極板間

8、的電容量發(fā)生變化 。 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) 由此可知，電容與角位移成線性關(guān)系。由此可知，電容與角位移成線性關(guān)系。 其靈敏度為：其靈敏度為：000ACd00(1)(1)ACCd0ddCAKd 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.1.2 變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 變極距式電容傳感器是：變極距式電容傳感器是：兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保持不變，則持不變，則電容量電容量 C 隨隨極距極距 d 按非線性關(guān)系變化。按非線性關(guān)系變化。 00dACxdACx0第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.1.2 變極距式電容傳感器

9、變極距式電容傳感器 變極距式電容傳感器是：變極距式電容傳感器是：兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保持不變，則持不變，則電容量電容量 C 隨隨極距極距 d 按非線性關(guān)系變化。按非線性關(guān)系變化。 變極距式電容傳感器的結(jié)構(gòu)與特性，如圖變極距式電容傳感器的結(jié)構(gòu)與特性，如圖3-3所示。所示。 圖3-3 變極距式電容傳感器的結(jié)構(gòu)和特性曲線第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 (1) 當(dāng)動極板當(dāng)動極板2未動時(shí)傳感器初始電容值為：未動時(shí)傳感器初始電容值為： (2) 當(dāng)動極板當(dāng)動極板2移動移動 x 值后，電容變化量為：值后，電容變化量為：當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)00ACd00

10、000(1)1xCAxCCxdxdxd0 xd00(1)xxCCd0200ddCCAKxdd k不是常數(shù)不是常數(shù),且與且與d 成反比。極距越小靈敏度越高，成反比。極距越小靈敏度越高，但非線性誤差會越大。實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度和擴(kuò)但非線性誤差會越大。實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度和擴(kuò)大線性范圍，多采用差動式電容傳感器。大線性范圍，多采用差動式電容傳感器。20 為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變間隙式電容傳感器的初始極距d0較小時(shí)，它的測量范圍變大還是變??？ 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用差動結(jié)構(gòu)差動結(jié)構(gòu).)()(1111302000000001ddddddCddcdddsdd

11、sC.)()(1111302000000002ddddddCddcdddsddsC.)()(1 240200021ddddddCCCC第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用忽略高次項(xiàng)得忽略高次項(xiàng)得002ddCC則則靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)200022dsdCdCk結(jié)論：結(jié)論：差動結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提高一倍。差動結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提高一倍。減小了非線性誤差。減小了非線性誤差。能夠更好地克服溫度等外界共模信號干擾。能夠更好地克服溫度等外界共模信號干擾。第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常

12、數(shù)式電容傳感器 主要用來測量兩極板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、主要用來測量兩極板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。介質(zhì)濕度、液位等。 工作原理：被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。工作原理：被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。 如圖如圖3-5所示：所示： 圖3-5 變介質(zhì)式電容傳感器第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器工作原理：被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。工作原理：被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。變介電常數(shù)電容式傳感器原理動畫演示： 第第3章章 電

13、容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 由圖由圖3-5（a）可知，傳感器的總?cè)萘浚┛芍?，傳感器的總?cè)萘緾，由電容，由電容C1和和C2的并聯(lián)結(jié)果。的并聯(lián)結(jié)果。 由圖由圖3-5(b)可知，傳感器的總?cè)萘靠芍瑐鞲衅鞯目側(cè)萘緾，等于上下部分電容，等于上下部分電容C1和和C2的并聯(lián)的并聯(lián)結(jié)果。結(jié)果。 靈敏度為：靈敏度為：)(20100021llldbccCrr)/ln(2)/ln()(20021dDhdDhlccCbhahdDdDlx)/ln()1(2)/ln(200bdhdcK常用材料的介電常數(shù)常用材料的介電常數(shù) 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用三種電容式傳感器比較表三種電容式傳感器比較

14、表類型類型變間隙變間隙變間隙變間隙變間隙變間隙變面積變面積變面積變面積變面積變面積變介電常數(shù)變介電常數(shù)變介電常數(shù)變介電常數(shù)變介電常數(shù)變介電常數(shù)應(yīng)用場合應(yīng)用場合線位移線位移角位移或較大線角位移或較大線位移位移物位、濕度、密物位、濕度、密度度是否線性是否線性非線性關(guān)系。非線性關(guān)系。靈敏度也不是靈敏度也不是常數(shù)。常數(shù)。線性關(guān)系線性關(guān)系 線性關(guān)系線性關(guān)系 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 3.2 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 電容傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化后，還需由后接的轉(zhuǎn)電容傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化

15、后，還需由后接的轉(zhuǎn)換電路將電容的變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化。換電路將電容的變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化。 常用的測量電路有：常用的測量電路有： 交流電橋交流電橋 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 二極管雙二極管雙T型交流電橋型交流電橋 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 1交流電橋交流電橋 如圖如圖3-6所示，所示，為電感為電感-電容電橋。電容電橋。 圖3-6 交流電橋轉(zhuǎn)換電路 由圖可知，由圖可知，變壓器的兩個二次繞組變壓器的兩個二次繞組L1、L2與差動電容傳感器的兩個電容與差動電容傳感器的兩個電容C1、C

16、2作為電橋的作為電橋的4個橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調(diào)幅個橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調(diào)幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應(yīng)的輸出，最后為儀表值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應(yīng)的輸出，最后為儀表顯顯示記錄示記錄。第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 2調(diào)頻電路調(diào)頻電路 如圖如圖3-7所示，所示，把傳感器接入調(diào)頻振蕩器的把傳感器接入調(diào)頻振蕩器的LC諧振網(wǎng)絡(luò)中，被測量諧振網(wǎng)絡(luò)中，被測量的變化引起傳感器電容的變化，繼而導(dǎo)致振蕩器諧振頻率的變化的變化引起傳感器電容的變化，繼而導(dǎo)致振蕩器諧振頻率的變化。 圖

17、3-7 調(diào)頻電路 調(diào)頻電路的特點(diǎn)：調(diào)頻電路的特點(diǎn)：測量電路的靈敏度很高，可測測量電路的靈敏度很高，可測0.01 m的位移變化的位移變化量，抗干擾能力強(qiáng)（加入混頻器后更強(qiáng)），缺點(diǎn)是電纜電容、溫度變化量，抗干擾能力強(qiáng)（加入混頻器后更強(qiáng)），缺點(diǎn)是電纜電容、溫度變化的影響很大。的影響很大。第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 3運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 極距變化型電容傳感器的電容與極距之間的關(guān)系為反比關(guān)系，傳感極距變化型電容傳感器的電容與極距之間的關(guān)系為反比關(guān)系，傳感器存在原理上的非線性。器存在原理上的非線性。利用運(yùn)算放大器的反相比例運(yùn)算可以使轉(zhuǎn)換電利用運(yùn)算放大器的反相比例運(yùn)算可以

18、使轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與極距之間關(guān)系變?yōu)榫€性關(guān)系。路的輸出電壓與極距之間關(guān)系變?yōu)榫€性關(guān)系。 如圖如圖3-8 所示，為運(yùn)算放大器式電路。所示，為運(yùn)算放大器式電路。根據(jù)運(yùn)算放大器的反相比例運(yùn)根據(jù)運(yùn)算放大器的反相比例運(yùn)算關(guān)系，有：算關(guān)系，有： 圖3-8 運(yùn)算放大器式電路 運(yùn)算放大器式電路的特點(diǎn)：運(yùn)算放大器式電路的特點(diǎn)：原理較為簡單，靈敏度和精度最高。但一原理較為簡單，靈敏度和精度最高。但一 般需用驅(qū)動電纜技術(shù)來消除電纜電容的影響，電路較為復(fù)雜且調(diào)整困難。般需用驅(qū)動電纜技術(shù)來消除電纜電容的影響，電路較為復(fù)雜且調(diào)整困難。dAeCeCCeZZessxsf00000第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及

19、應(yīng)用 4. 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 （PWM） 是利用傳感器的電容充放電使電路輸出是利用傳感器的電容充放電使電路輸出脈沖的占空比隨電容式傳感器的電容量變化而變化，然后通過低通濾波器脈沖的占空比隨電容式傳感器的電容量變化而變化，然后通過低通濾波器得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。 如圖如圖3-9所示，為脈沖寬度調(diào)制電路。所示，為脈沖寬度調(diào)制電路。 圖3-9 脈沖寬度調(diào)制電路第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用圖3-10 脈沖寬度調(diào)制電路的電壓波形 當(dāng)當(dāng) C1C1與與C2 C2 不相等時(shí)的波形不相等時(shí)的波形 當(dāng)當(dāng)

20、 C1=C2 C1=C2 時(shí)的波形時(shí)的波形第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 5二極管雙二極管雙T型交流電橋型交流電橋 如圖如圖3-11所示，二極管雙所示，二極管雙T型交流電橋電路原理圖。型交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供幅是高頻電源，它提供幅值為值為Ui的對稱方波，的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的為特性完全相同的2個二極管，個二極管，R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。為傳感器的兩個差動電容。 測量原理：測量原理：當(dāng)當(dāng)e為正半周時(shí)，為正半周時(shí)，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2截止截止C1向向RL充電；充電； C2向向RL放電。放電。當(dāng)當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，為負(fù)

21、半周時(shí)，VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD1截止截止C1向向RL放放電；電； C2向向RL充充電。電。當(dāng)當(dāng) C1與與C2 不等時(shí)，不等時(shí)，RL上無信號輸出。上無信號輸出。當(dāng)當(dāng)C1=C2 時(shí)，時(shí)，RL上有信號輸出。上有信號輸出。 圖3-11二極管雙T型交流電橋第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 1電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 如圖如圖3-12所示，為電容式接近開關(guān)實(shí)物與結(jié)構(gòu)圖。所示，為電容式接近開關(guān)實(shí)物與結(jié)構(gòu)圖。 圖3-12 電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)原理圖電容式接近開關(guān)原理圖第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用3.3 電容式傳感器的應(yīng)

22、用電容式傳感器的應(yīng)用 1電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān) 原理分析：原理分析： 電容式傳感器的感應(yīng)面由兩個同軸金屬電極構(gòu)成，很像“打開的”電容電極，該兩個電極構(gòu)成一個電容，串接在RC振蕩回路內(nèi)。 當(dāng)一個目標(biāo)朝著電容器的電極靠近時(shí)，電容器的容量增加。通過后級電路的處理，將停振和振蕩兩種信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，從而起到了檢測有無物體存在的目的。該傳感器能檢測到金屬物體，也能檢測到非金屬物體，對金屬物體可獲得最大的動力作距離，對非金屬物體動作距離決定于材料的介電常數(shù)第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用最聰明的水龍頭：最聰明的水龍頭： 電容式感應(yīng)水龍頭電容式感應(yīng)水龍頭 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)

23、用電容式傳感器及應(yīng)用 2電容式油量表電容式油量表 如圖如圖3-14所示，為所示，為2電容式油量表傳感器。電容式油量表傳感器。 圖3-14 電容式油量表示意圖1油料 2電容器 3伺服電機(jī) 4減速器 5指示表盤 兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)1和液面上的介電常數(shù)2不同，比如：12，則當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當(dāng)液位下降，值減小，電容量也減小 。第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 3.電容式差壓傳感器電容式差壓傳感器 如圖如圖3-15所示，為電容式差壓傳感器。所示，為電容式差壓傳感器。 圖3-15電容式差壓傳感器 1彈性膜

24、片 2凹玻璃圓片 3金屬涂層 4輸出端子 5空腔 6過濾器 7殼體 第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 4電容測厚儀電容測厚儀 如圖如圖3-16所示，為電容測厚儀結(jié)構(gòu)示意圖。所示，為電容測厚儀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3-16 電容測厚儀結(jié)構(gòu)圖 1金屬帶材 2電容極板 3傳動輪 4軋棍 37指紋識別指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。 右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖：第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體的陣列，其外

25、面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用39指紋識別電容指紋識別動畫演示電容指紋識別動畫演示第第3章章 電容式傳感器及應(yīng)用電容式傳感器及應(yīng)用 本章小結(jié)本章小結(jié) 電容傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。電容傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。電容可以分為三電容可以分為三種種；由于電容式傳感器的輸出電容值非常小，所以需要借助于測量電路將其轉(zhuǎn)換；由于電容式傳感器的輸出電容值非常小，所以需要借助于測量電路將其

26、轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓、電流或頻率等信號。為相應(yīng)的電壓、電流或頻率等信號。 常用的測量電路有：常用的測量電路有：運(yùn)算放大器式電路、電橋電路、調(diào)頻電路運(yùn)算放大器式電路、電橋電路、調(diào)頻電路脈沖寬度調(diào)脈沖寬度調(diào)制電路和二極管雙制電路和二極管雙T型交流電橋等。型交流電橋等。 通過本章的學(xué)習(xí)主要應(yīng)了解電容式傳感器的基本概念、種類以及電容式傳通過本章的學(xué)習(xí)主要應(yīng)了解電容式傳感器的基本概念、種類以及電容式傳感器的基本特性，平要掌握感器的基本特性，平要掌握 電容式傳感器的工作原理、則測量電路和電容式傳電容式傳感器的工作原理、則測量電路和電容式傳感器的應(yīng)用；感器的應(yīng)用； 重點(diǎn)掌握電容式傳感器測量的基本原理、測量電路及

27、其應(yīng)用。重點(diǎn)掌握電容式傳感器測量的基本原理、測量電路及其應(yīng)用。 課間討論1.電容式傳感器工作方式分為哪三種類型？每種類型的工作原理和特點(diǎn)是什么？2.右圖為電容式接近開關(guān)在料位測量控制中 的實(shí)例，請簡述這種電容傳感器的工作過程。3.下圖為電容式液位傳感器，左圖是用于被測介質(zhì)為非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)的電容式傳感器，右圖是適用于測量導(dǎo)電液體的液位。（1）該傳感器屬于電容傳感器的哪種工作類型？（2）請簡述該傳感器測量液位的工作原理。第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用本章教學(xué)目標(biāo)本章教學(xué)目標(biāo) （1）了解電感式傳感器的基本概念與種類）了解電感式傳感器的基本概念與種類(自感式、互感式和電渦流式自感式、互

28、感式和電渦流式)； （2）了解電感式傳感器的基本特性；）了解電感式傳感器的基本特性； （3）理解電感式傳感器的工作原理與測量電路；）理解電感式傳感器的工作原理與測量電路； （4）掌握電感式傳感器的應(yīng)用；）掌握電感式傳感器的應(yīng)用；本章教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)本章教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：重點(diǎn)：電感式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型、工作特性、測量電路和工作原理。電感式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型、工作特性、測量電路和工作原理。 難點(diǎn)：難點(diǎn)：電感式傳感器測量的基本原理與測量電路及其應(yīng)用。電感式傳感器測量的基本原理與測量電路及其應(yīng)用。 第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用本次課教學(xué)目標(biāo)本次課教學(xué)目標(biāo) （1）自感式傳感器的結(jié)構(gòu)

29、和種類；）自感式傳感器的結(jié)構(gòu)和種類； （2）自感式傳感器的測量原理與測量電路；）自感式傳感器的測量原理與測量電路； （3）自感式傳感器的應(yīng)用。）自感式傳感器的應(yīng)用。本次課的重點(diǎn)與難點(diǎn)本次課的重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：重點(diǎn)：自感式傳感器的種類、結(jié)構(gòu)、測量原理與測量電自感式傳感器的種類、結(jié)構(gòu)、測量原理與測量電路。路。 難點(diǎn)：難點(diǎn)：自感式傳感器的測量原理、測量電路及其應(yīng)用。自感式傳感器的測量原理、測量電路及其應(yīng)用。第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用 利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量，如位移、壓力、流量等轉(zhuǎn)換成利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量，如位移、壓力、流量等轉(zhuǎn)換成自自感量感量 L 或互感量或互感量

30、 M 的變化，的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，這再由測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，這種裝置稱為電感式傳感器。種裝置稱為電感式傳感器。F F第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用4.1自感式傳感器自感式傳感器 自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，用來測自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，用來測量位移。量位移。 自感式傳感器主要有自感式傳感器主要有閉磁路變隙式和開磁路螺線管式。閉磁路變隙式和開磁路螺線管式。4.1.1 自感式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理自感式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 如圖如圖4-1所示，為變磁阻式傳感器。所示，為變磁阻式傳感器。根

31、據(jù)磁路歐姆定律，線圈的電感量為：根據(jù)磁路歐姆定律，線圈的電感量為：如果把鐵心和銜鐵的磁阻不計(jì)，上式如果把鐵心和銜鐵的磁阻不計(jì)，上式可改寫為：可改寫為： 圖4-1變磁阻式傳感器22mNN SNLIlR第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用自感式電感傳感器常見的形式，如圖自感式電感傳感器常見的形式，如圖4-2所示。所示。 圖4-2 自感式電感傳感器常見結(jié)構(gòu)形式 1線圈 2鐵芯 3銜鐵 4測桿 5導(dǎo)軌 6工件 7轉(zhuǎn)軸第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用1變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器 變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖變氣隙式（閉磁路式）

32、自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖4-3所示。所示。變氣隙長度式變氣隙長度式傳傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。小位移的測量。 為了擴(kuò)大示值范圍和減小非線性誤差，通常采用差動結(jié)構(gòu)。為了擴(kuò)大示值范圍和減小非線性誤差，通常采用差動結(jié)構(gòu)。 圖4-3 變氣隙式自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 1線圈 2鐵芯 3銜鐵第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用 2. 螺線管式（開磁路式）自感式傳感器螺線管式（開磁路式）自感式傳感器 螺線管式自感式傳感器常采用差動式，如圖螺線管式自感式傳感器常采用差動

33、式，如圖4-4所示。所示。差動式電感傳感器對外差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。較小，從而減小了測量誤差。 從輸出特性曲線，如圖從輸出特性曲線，如圖4-5所示?？梢钥闯觯?。可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。 圖4-4 螺線管式自感式傳感器的結(jié)構(gòu) 圖4-5 差動式電感傳感器輸出特性 1測桿 2

34、銜鐵 3線圈 1、2L1、L2的特性 3差動特性第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用4.1.2 自感式傳感器的測量電路自感式傳感器的測量電路 測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種。測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種。 1變壓器交流電橋變壓器交流電橋 采用變壓器副繞阻用平衡臂的交流電橋，如圖采用變壓器副繞阻用平衡臂的交流電橋，如圖4-6所示。所示。 圖4-6 變壓器交流電橋電路圖第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用電路分析：電路分析： 設(shè)設(shè)O點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，可得到電橋輸出電壓為：點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，可得到電橋輸出電壓為： 當(dāng)傳感器的活動鐵芯處于初始平衡當(dāng)

35、傳感器的活動鐵芯處于初始平衡位置時(shí)，位置時(shí)，U0=0，電橋處于平衡。，電橋處于平衡。 當(dāng)鐵芯向一邊移動時(shí)，則一個線圈的阻抗當(dāng)鐵芯向一邊移動時(shí)，則一個線圈的阻抗增加增加 ， ， 并當(dāng)并當(dāng) R ，則電橋輸出為：，則電橋輸出為：10ZZZ20ZZZLo202LUUL 1oA BAB2121()2ZUUVVUZZ第第4章章 電感式傳感器及應(yīng)用電感式傳感器及應(yīng)用 2. 帶相敏整流的交流電橋帶相敏整流的交流電橋 帶相敏整流的交流電橋，如圖帶相敏整流的交流電橋，如圖4-7所示。所示。 （1）初始平衡位置時(shí)）初始平衡位置時(shí) 當(dāng)差動式傳感器的活動鐵芯處于中間位置時(shí)，傳感器兩個差動線圈的當(dāng)差動式傳感器的活動鐵芯處于中間位置時(shí)，傳感器兩個差動線圈的阻抗阻抗 Z1 = Z2 =Z0， 其等效電路，如圖其等效電路，如圖4-8所示。所示。 圖4-7 帶相敏整流的交流電橋電路 圖4-8 鐵芯處于初始平衡位