第4章-傳感器原理2

1、4.3 4.3 電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電兩平行極板組成的電容器容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC+ A 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。電容的變化。第四章第四章 傳感器測(cè)量原理傳感器測(cè)量原理與測(cè)量電路測(cè)量電路4.3 電容式傳感器電容式傳感器 +1.1. 變間隙式電容傳感器變間隙式電容傳感器4.3 電容式傳感器電容式傳感器 當(dāng)當(dāng)動(dòng)極板在被測(cè)參量作用下發(fā)生位移，使間隙動(dòng)極板在被測(cè)參量作用下發(fā)生位移，使間隙 減小減小了了，則，則1)1 (CSCC1)1 (C

2、C1 321CC電容的相對(duì)變化量為：電容的相對(duì)變化量為：當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)4.3 電容式傳感器電容式傳感器 n C/CC/C與與之間是非線性關(guān)系之間是非線性關(guān)系CC2SCCKn 略去高次項(xiàng)時(shí)，可得近似線性關(guān)系為：略去高次項(xiàng)時(shí)，可得近似線性關(guān)系為：n靈敏度為：靈敏度為：n靈敏度靈敏度K K與初始間隙與初始間隙 的平方成反比，間隙越小，靈的平方成反比，間隙越小，靈敏度越高。但間隙敏度越高。但間隙 的減小受極板間擊穿電壓的限制。的減小受極板間擊穿電壓的限制。由于由于 很小，且很小，且 所以所以 也應(yīng)很小，因此，變間也應(yīng)很小，因此，變間隙式電容傳感器適用于小間隙、小變化量的位移測(cè)量。隙式電容傳感器適用于小間隙

3、、小變化量的位移測(cè)量。14.3 電容式傳感器電容式傳感器 差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)是在兩塊定極板之間放一塊動(dòng)極板差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)是在兩塊定極板之間放一塊動(dòng)極板:111)1 (CSCCC122)1 (CSCCC差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu)-提高電容傳感器的靈敏度、提高電容傳感器的靈敏度、 減小非線性減小非線性 53212CCCC 21242CC222SCCK4.3 電容式傳感器電容式傳感器 4.3 電容式傳感器電容式傳感器 2 2 面積變化型面積變化型1 1）角位移型）角位移型+當(dāng)動(dòng)板移動(dòng) 后，兩極板間的電容為：2222rCrC22rC22rCknk為常數(shù)，角位移式傳感器的電容與角位移成線性關(guān)系。則4.3 電容式傳感器電容

4、式傳感器 2 2）平面線位移型）平面線位移型4.3 電容式傳感器電容式傳感器 當(dāng)動(dòng)板移動(dòng)當(dāng)動(dòng)板移動(dòng) x x后，兩極板間的電容：后，兩極板間的電容：xbbaxabC)(xbCbxCKk k為常數(shù)，線位移式傳感器的電容與線位移成線性關(guān)系。為常數(shù)，線位移式傳感器的電容與線位移成線性關(guān)系。4.3 電容式傳感器電容式傳感器 3 3）柱面線位移型）柱面線位移型. .4.3 電容式傳感器電容式傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品. .陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力液體壓力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片產(chǎn)生膜片產(chǎn)生 位移。位移。 4.3 電容式傳感器電容式傳感器 4.3 電容式傳感器電容式傳

5、感器 3 3 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型4.3 電容式傳感器電容式傳感器 電容式液位計(jì) 在被測(cè)介質(zhì)中放入兩個(gè)同心圓柱狀電極，容器內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)為 ，空氣的介電常數(shù)為 ，當(dāng)容器中液面高度發(fā)生變化時(shí)，兩電極間的電容也發(fā)生變化。兩電極間的總電容C等于介質(zhì)為空氣部分的電容與介質(zhì)為液體部分的電容之和，即xRRRRhC1221122ln)(2ln2n 輸出電容與液面高度x呈線性關(guān)系。124.3 電容式傳感器電容式傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）4.3 電容式傳感器電容式傳感器 二二. . 測(cè)量電路測(cè)量電路1. 1. 阻容交流電橋阻容交流電橋 右圖是阻

6、容交流電橋系統(tǒng)右圖是阻容交流電橋系統(tǒng)方圖。圖中電橋部分方圖。圖中電橋部分C C1 1和和C C2 2是是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，電橋另兩個(gè)橋臂接入相同的固電橋另兩個(gè)橋臂接入相同的固定電阻定電阻R R0 0電容式傳感器在被測(cè)參量的作用下電容發(fā)生變化，但還需電容式傳感器在被測(cè)參量的作用下電容發(fā)生變化，但還需通過(guò)測(cè)量電路將電容變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。通過(guò)測(cè)量電路將電容變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。4.3 電容式傳感器電容式傳感器 電橋中電橋中C C1 1和和C C2 2是差動(dòng)電容傳感是差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容，該橋臂的阻抗器的兩個(gè)電容，該橋臂的阻抗111CjZ221Cj

7、Z2121211222CCCCUZZZZUUscSC12UUscSC2電橋的輸出電壓為：差動(dòng)電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板位移差動(dòng)電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板位移時(shí)時(shí)2. 2. 變壓器式電橋變壓器式電橋3. 3. 雙雙T T電橋電橋2122CCUfRRRRRRUfffsc4.3 電容式傳感器電容式傳感器 輸入能量小，靈敏度高。輸入能量小，靈敏度高。 動(dòng)態(tài)特性好。動(dòng)態(tài)特性好。 能量損失小。能量損失小。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。 非線性較大。非線性較大。 電纜電容影響大。電纜電容影響大。 解決方法：解決方法：采用雙層屏蔽電纜。采用雙層屏蔽電纜。采用小型采用小型集成電路，放在傳感器內(nèi)部，即傳感器與測(cè)量電集

8、成電路，放在傳感器內(nèi)部，即傳感器與測(cè)量電路一體化。路一體化。三三. . 電容式傳感器的特點(diǎn)：電容式傳感器的特點(diǎn)：4.3 電容式傳感器電容式傳感器 4.4 4.4 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)非把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為線圈電感的變化。電量轉(zhuǎn)換為線圈電感的變化。分類(lèi)分類(lèi): :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型第四章第四章 傳感器測(cè)量原理傳感器測(cè)量原理與測(cè)量電路測(cè)量電路工作原理 當(dāng)銜鐵子在被測(cè)參量帶動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，磁路中氣隙的磁阻發(fā)生變化，從而引起線圈電感的變化，把電感的變化通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓

9、或電流的變化。根據(jù)所測(cè)電壓或電流的變化過(guò)程確定被測(cè)量的變化。4.4 電感式傳感器電感式傳感器1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式4.4 電感式傳感器電感式傳感器可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型差動(dòng)型差動(dòng)型202NSL原理原理: :電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)變氣隙型電感傳感器：變氣隙型電感傳感器：LL提高靈敏度和線性化的方法：提高靈敏度和線性化的方法： a)a)限制銜鐵的位移變換量限制銜鐵的位移變換量 b)b)采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)靈敏度靈敏度2022SNLLK電感變化量電感變化量4.4 電感式傳感器電感式傳感器差動(dòng)自感傳感器差動(dòng)自感傳感器v把兩個(gè)相同的簡(jiǎn)單電感傳感器組把兩個(gè)相同的簡(jiǎn)單電感傳感器組合在

10、一起而共用一個(gè)銜鐵構(gòu)成差合在一起而共用一個(gè)銜鐵構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器。動(dòng)式電感傳感器。v當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，上下兩當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，上下兩個(gè)線圈的電感量相等。個(gè)線圈的電感量相等。v若銜鐵被帶動(dòng)向上移動(dòng)若銜鐵被帶動(dòng)向上移動(dòng)距離時(shí)，距離時(shí)，使上、下線圈的電感量分別增大使上、下線圈的電感量分別增大和減小和減小 L L。4.4 電感式傳感器電感式傳感器4.4 電感式傳感器電感式傳感器差動(dòng)自感傳感器差動(dòng)自感傳感器LLLLLLLL2)(1 ()(1 (212221v有效地消除了偶次項(xiàng)對(duì)非線性的影響，同時(shí)提高有效地消除了偶次項(xiàng)對(duì)非線性的影響，同時(shí)提高 靈敏度靈敏度4.4 電感式傳感器電感式傳感器測(cè)量電路

11、與輸出特性測(cè)量電路與輸出特性 v電感傳感器的測(cè)量電路常采用電橋電路；v電橋由交流電壓U供電；v電橋的兩臂Z1和Z2為傳感器中兩個(gè)線圈的阻抗，另兩臂各為電源變壓器次級(jí)線圈的一半。ULRLUsc222電橋?qū)蔷€上A、B兩點(diǎn)的電位差為輸出電壓Usc：4.4 電感式傳感器電感式傳感器2 2 互感型互感型-差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象.EwEout4.4 電感式傳感器電感式傳感器v當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，次級(jí)線圈的互感當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，次級(jí)線圈的互感M M1 1增大，互感增大，互感M M2 2 減小，則線圈內(nèi)感應(yīng)電勢(shì)減小，則線圈內(nèi)感應(yīng)電勢(shì)e e2121 e e

12、2222，當(dāng)銜鐵向下移，當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，則感應(yīng)電勢(shì)動(dòng)時(shí)，則感應(yīng)電勢(shì)e e2121 e e2222 。因此，只要銜鐵偏離。因此，只要銜鐵偏離中心位置，中心位置，e e2 2 0 0，即有輸出電壓產(chǎn)生，而輸出電壓，即有輸出電壓產(chǎn)生，而輸出電壓的幅值大小與銜鐵位移量成正比。因輸出的是交流的幅值大小與銜鐵位移量成正比。因輸出的是交流電，只有接入相敏檢波電路后，才能從直流輸出電電，只有接入相敏檢波電路后，才能從直流輸出電壓的幅值和相位判斷銜鐵位移大小和方向。壓的幅值和相位判斷銜鐵位移大小和方向。 v當(dāng)銜鐵在兩線圈中心位置時(shí)，兩線圈的感應(yīng)電勢(shì)當(dāng)銜鐵在兩線圈中心位置時(shí)，兩線圈的感應(yīng)電勢(shì)相等，即相等，即e

13、e2121= = e e2222 ，因兩線圈是反向串接，此時(shí)的，因兩線圈是反向串接，此時(shí)的輸出電壓為輸出電壓為e e2 2= = e e2121- - e e2222 =0 =0。4.4 電感式傳感器電感式傳感器等效電路：等效電路： 輸出電勢(shì)有效值輸出電勢(shì)有效值：121212)(2ELRME輸出電勢(shì)的大小與互感的變化量輸出電勢(shì)的大小與互感的變化量 M M 成正比。成正比。 4.4 電感式傳感器電感式傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器4.4 電感式傳感器電感式傳感器3 3 渦流式渦流式原理原理: :渦流效應(yīng)渦流效應(yīng) 把一個(gè)線圈放到一塊金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈通過(guò)交流電流I1時(shí)，在線圈的周

14、圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，使置于交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)出交變電流I2，此電流也產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H2，而交變磁場(chǎng)H2和線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)H1方向相反。由于磁場(chǎng)H2的反作用，使原來(lái)線圈的阻抗發(fā)生變化，線圈阻抗變化的大小與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率，磁導(dǎo)率，厚度h，線圈激勵(lì)電流I和角頻率以及線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離d等參數(shù)有關(guān)。4.4 電感式傳感器電感式傳感器n電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反，引起線圈阻抗的變化。反，引起線圈阻抗的變化。),(dIhfZ電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度、線圈激勵(lì)電流、角頻率、距離位移傳感器：除距離外，位移傳感器：除距離外，其余因素均確定不變其余因素均確定不變4.4 電感式傳感器電感式傳感器等效電路等效電路 電渦流傳感器的等效電路如圖。圖中R1和L1為線圈的電阻和電感， R2和L2為金屬導(dǎo)體的電阻和電感，U為線圈激勵(lì)電壓，M為線圈與導(dǎo)體中渦流回路的互感系數(shù)。線圈的等效電感為：22222221LRMLLL4.4 電感式傳感器電感式傳感器產(chǎn)品：產(chǎn)品：4.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：無(wú)損探傷案例：無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)