CH 2 傳感器原理3-4節(jié) 容 感 WL課件

2.3

電容式傳感器2.3.1電容式傳感器工作原理及分類將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化。Ar—介質(zhì)相對于真空的介電常數(shù)，空氣r

1；0—真空的介電常數(shù)，0=8.8510-12F/m；—極板間距；A—極板面積。、A、發(fā)生變化都會引起C變化。忽略邊緣效應(yīng)時，兩平行極板組成的電容器的電容為:根據(jù)變化參數(shù)的不同，電容式傳感器可分為三類：

改變極板間距的極距變化型；

改變極板相互遮蓋面積的面積變化型；

改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型。2.3.2電容式傳感器分類（1）極距變化型電容式傳感器電容C與極距成反比，非線性。C靈敏度靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距受極板間擊穿電壓的限制。極距變化引起的電容量變化為：通常極距變化范圍/00.1，僅適于小位移的測量（0.01m~數(shù)百微米）。為了提高靈敏度、改善非線性及克服電源電壓、環(huán)境溫度等對測量精度的影響，常采用差動電容傳感器。21（2）面積變化型電容式傳感器在被測量的作用下，變化極板的有效面積，分為角位移型和線位移型。1）角位移型—

覆蓋面積對應(yīng)的中心角；

r—極板半徑。1動極板；2定極板122）平面線位移型b—極板寬度。xx?xb121—動極板；2—定極板3）圓柱線位移型D—外圓筒內(nèi)半徑；

d—內(nèi)圓筒外半徑。面積變化型電容傳感器輸入輸出呈線性關(guān)系，但靈敏度較低，適用較大直線位移及角位移測量。dD12xl01—動極板；2—定極板（3）介質(zhì)變化型電容式傳感器厚度為2

的介質(zhì)在電容器中左右運動。無介質(zhì)2時，有介質(zhì)2時，C=CA+CB

（并聯(lián)）b—

電容器極板寬度CACB12xl2式中：1=

-2。靈敏度為常數(shù)，輸入輸出呈線性關(guān)系?？傠娙?靈敏度:b—

電容器極板寬度CACB12xl2介質(zhì)變化型電容式傳感器的應(yīng)用

可實現(xiàn)非接觸測量；

一般傳感器兩極板間電容很?。◣灼し▇幾十皮法）

低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百M）、負載能力弱，電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。

輸入能量小（極板間靜電引力?。`敏度、動態(tài)特性好（可動質(zhì)量小，固有頻率高）；（1）特點2.3.3電容式傳感器的特點與應(yīng)用變面積型和變介質(zhì)型電容傳感器具有很好的線性，但該結(jié)論都是忽略了邊緣效應(yīng)得到的。實際上由于邊緣效應(yīng)，電容式傳感器仍存在非線性問題，且靈敏度下降。適當減小極間距→易產(chǎn)生擊穿，測量范圍受限結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)等位環(huán)3和電極2等電位，使得電極2的邊緣電力線平直，

極間電場均勻，發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3的外周。結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)，減小或消除邊緣效應(yīng)。

1.震動，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動，位置，膨脹3.撓度，變形，波動，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識別5.沖擊，應(yīng)變，軸向振動6.軸承振動，油膜間隙，磨擦，偏心（2）應(yīng)用電容式振動位移傳感器應(yīng)用圖4-19差動式電容壓力傳感器P1P2電容式加速度傳感器

電容加速度傳感器

電容測厚儀軋輥定極板被測帶材定極板動極板

轉(zhuǎn)速測量12341—齒輪2—定極3—電容傳感器4—頻率計(r/min)rpm滑動探頭外形呈鼓狀，由PVC塑料制成，外壁上鑲嵌有兩個金屬環(huán)狀電極。只要兩電極間的高頻電場能量足以穿透套管，則電極間電場耦合強度與套管外的土壤含水量有關(guān)。土壤含水率縱向分布測量2.4

電感式傳感器

基于電磁感應(yīng)原理，將被測量轉(zhuǎn)換為電感的變化。主要特征是具有線圈。電感式傳感器屬結(jié)構(gòu)型傳感器。

渦流式（渦流效應(yīng)）按照變換方式可分為：

自感型（自感原理）：變磁阻式

互感型（互感原理）：差動變壓器

壓磁型（壓磁效應(yīng)）線圈自感量：N—線圈匝數(shù)；

i—線圈中的電流；

—通過線圈的磁通量；Rm

—磁路的總磁阻

Rm=RF

+R

，

RF為

鐵芯和銜鐵的磁阻；

R為空氣隙磁阻。2.4.1

變磁阻式電感傳感器由線圈、鐵芯、銜鐵組成，在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙。一般，1和2遠遠大于0，因此所以，自感式中：l1、l2

—鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁長度；

1、2

—鐵芯和銜鐵的磁導(dǎo)率；

A1、A2

—鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁截面積；

—氣隙長度；

0

—空氣磁導(dǎo)率，0=410-7H/m

；

A0

—空氣隙導(dǎo)磁截面積。若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙較?。捍怕房偞抛杞Y(jié)論：自感L與氣隙成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比，與線圈匝數(shù)的平方成正比。當固定A0，變化時，L與呈反比關(guān)系，非線性。為了減小非線性誤差，一般取/0≤0.1。變氣隙型自感傳感器適用于微小位移的測量（1μm~1mm）。靈敏度S與氣隙的平方成反比。

越小，S越高。變氣隙型L0靈敏度為：氣隙變化引起的電感變化為：差動變氣隙型自感傳感器提高靈敏度，改善非線性。靈敏度為：當固定，變化A0時，L與A0

呈線性關(guān)系。變截面型A0A=a×b變截面型自感傳感器差動形式圓柱形鐵芯在線圈中運動時，磁阻改變，線圈自感發(fā)生變化。

結(jié)構(gòu)簡單，易制造，靈敏度低，適于較大位移的測量。

單螺管線圈型x~其它結(jié)構(gòu)形式

雙螺管線圈差動型電感測微計測量范圍：0~300μm；最小分辨率：0.5μm。x~提高靈敏度，改善非線性。自感式壓力傳感器膜盒適用于測量精度要求不高的場合或報警系統(tǒng)中。自感式壓差傳感器P2銜鐵線圈線圈鐵芯2.4.3互感式傳感器變換原理：

利用互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。一次線圈L1輸入交流電流i1，二次線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e12的大小與一次線圈電流i1的變化率成正比。M為兩線圈間的互感系數(shù)，與兩線圈的相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。~i1L1L2e12實際的互感傳感器通常采用兩個二次線圈接成差動式，稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器由一次線圈L和兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的

二次線圈L1、L2反向串聯(lián)組成。（同名端相連）螺管形差動變壓器L2LL1RLei~e2L2e1L1~R1R2eoM1M2L2LL1M1M2e0e1e2

鐵芯P位于中心位置：M1=M2，eo=0。

鐵芯P上移：M1

=M+M，M2

=MM

（M為初始平衡互感），e1

>e2，eo與e1同相。

鐵芯P下移：M1

=MM，M2

=M+M，

e1

<e2，eo與e2同相。

差動變壓器隨銜鐵的位移輸出一個調(diào)幅波e0，是交流電壓，直接用交流電壓表測量時存在以下問題：①總有零點殘余電壓輸出；→零點殘余電壓補償電路②無法判別銜鐵位移方向?！捎孟嗝魴z波電路來解調(diào)

零點殘余電壓

存在零點殘余電壓（鐵芯位于中心位置時，M1M2，eo0）零點殘余電壓使得零位附近的小位移測量困難。

兩個二次線圈結(jié)構(gòu)不對稱（幾何尺寸、電氣參數(shù)、磁路

參數(shù)等）一次線圈銅損電阻鐵磁材料不均勻線圈間的分布電容繞制變壓器需要用銅線，銅線存在電阻，電流流過時會消耗一定的功率而產(chǎn)生熱量，這種損耗稱為“銅損”。零點殘余電壓補償電路

相敏檢波電路——輸出電壓體現(xiàn)位移的大小及方向補償零點殘余電壓相敏檢波電路AB相敏檢波電路差動變壓器式傳感器的特點

包含機械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測量高頻動態(tài)參量。

測量精度高（

0.1m數(shù)量級，最高可達0.01m），高精度型非線性誤差可達0.1%。

線性范圍大（可達100mm）。

穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。差動變壓器的應(yīng)用厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩,應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度等板厚測量~張力測量差動變壓器式位移傳感器1測頭；2軸套；3測桿；4鐵芯；5線圈架；6彈簧；8屏蔽筒；9圓片彈簧；10防塵罩差動變壓器式測力裝置彈性元件是簿壁圓筒，在外力F作用下，變形使差動變壓器的鐵心產(chǎn)生微位移，變壓器次級產(chǎn)生相應(yīng)電信號。為了減小橫向力或偏心力的影響，傳感器的高徑比應(yīng)較小。差動變壓器式微壓傳感器2膜盒;5差動變壓器;6鐵芯差動變壓器式加速度傳感器當金屬板置于變化磁場中或在磁場中運動時，金屬板上產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬板內(nèi)是閉合的，稱為電渦流(EddyCurrent)，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度、金屬板與線圈間距δ、激勵電流i、角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。(1)工作原理

金屬板ii12.4.4電渦流式傳感器渦流傳感器的等效阻抗Z

為：渦流傳感器的等效電路若變化，而其它參數(shù)固定，可以測量位移、振動等參量;若變化或，而其它參數(shù)固定，可實現(xiàn)材質(zhì)鑒別或無損探傷。渦流在金屬導(dǎo)體的縱深方向分布不均勻，大多集中在金屬導(dǎo)體的表面。

h滲透深度，cm；

ρ金屬導(dǎo)體的電阻率，Ω·cm；

μ相對磁導(dǎo)率；

f激勵源頻率，Hz集膚效應(yīng)/趨膚效應(yīng)頻率f越高，電渦流的滲透深度h越淺，集膚效應(yīng)越強，故渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度為：高頻交變電流i→

交變磁通→

渦電流i1

→

交變磁通1

→

1反作用于線圈→線圈自感發(fā)生變化根據(jù)楞次定律，渦流的交變磁場變化方向與線圈磁場變化方向相反，1總是抵抗的變化，從而導(dǎo)致原線圈等效阻抗發(fā)生變化。1）高頻反射式渦流傳感器2）低頻透射式渦流傳感器ω1通低頻交流電壓e1（音頻范圍）

ω2中產(chǎn)生感應(yīng)電壓e2金屬板中產(chǎn)生的渦流消耗了部分磁場能量，使e2降低，板越厚，e2越低，按負指數(shù)規(guī)律減小。e1e2h發(fā)射線圈ω1接收線圈ω2

1－線圈

2－線圈管架3－殼體

4－輸出電纜5－接插件6－瓷罩

(2)渦流傳感器的結(jié)構(gòu)4~20mA電渦流位移傳感器外形圖渦流傳感器的特點：非接觸測量；靈敏度高、抗干擾能力強；分辨力高，檢測范圍0~2mm時最高分辨力可達滿量程的0.1%;結(jié)構(gòu)簡單，不受油液等介質(zhì)影響；頻率響應(yīng)寬、體積小等。(3)特點及應(yīng)用應(yīng)用舉例轉(zhuǎn)速測量電渦流傳感器探傷檢測演示電渦流傳感器測量厚度演示電渦流傳感器計數(shù)演示電渦流傳感器軸心軌跡測量演示