常用傳感器解析

會(huì)計(jì)學(xué)1常用傳感器解析第4章常用傳感器Transducer4.1傳感器概述(Introduction)4.2

傳感器選用原則(PrincipleofTransducerSelection)4.3

電阻式傳感器(ResistanceTransducer)4.4

電感傳感器(InductanceTransducer)4.5電容傳感器(CapacitanceTransducer)返回第1頁/共73頁4.1

傳感器概述

(Introduction)1.傳感器概念

是指直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。傳感器傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測試裝置的工作質(zhì)量。2.傳感器分類

按被測量分類位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。

按工作機(jī)理分類機(jī)械式、電氣式、光學(xué)式、化學(xué)型等。第2頁/共73頁傳感器概述(2/5)

按構(gòu)成原理分類物性型

依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。如水銀溫度計(jì)、壓電式傳感器等。結(jié)構(gòu)型依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。

如電容式、電感式傳感器等。

按能量變換關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型(無源型、發(fā)電型或主動(dòng)傳感器）直接由被測對(duì)象輸入能量使其工作。

如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)、壓電式傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器存在負(fù)載效應(yīng)。能量控制型(有源型、能量調(diào)節(jié)型或被動(dòng)傳感器)由外部輔助能量使其工作，并由被測量控制外部供給能量的變化。如電橋式電阻應(yīng)變計(jì)等。傳感器的換能元件可能不止一個(gè)（如電容式壓力傳感器），甚至是一個(gè)小型裝置（如力反饋式加速度計(jì)）。注意：第3頁/共73頁4.3

電阻式傳感器

(ResistanceTransducer)

電阻式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進(jìn)行測量。電阻式傳感器按工作原理可分為：（5）氣敏電阻式（6）光敏電阻式等（1）變阻器（電位器）式（2）應(yīng)變片式（彈性電阻式）（3）熱敏電阻（4）磁敏電阻式第4頁/共73頁電阻式傳感器(2/22)1.電阻應(yīng)變式傳感器（1）應(yīng)變式傳感器工作原理1）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)

是指導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨所受機(jī)械變形（應(yīng)變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應(yīng)變效應(yīng)設(shè)金屬絲長度為l，截面積為A，電阻率為，則其阻值為金屬絲變形時(shí)，、l、A將同時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致R改變。若、l、A的變化量為d、dl、dA，則第5頁/共73頁電阻式傳感器(3/22)即：對(duì)半徑為r的金屬電阻絲有：，：電阻絲軸向相對(duì)變形，或稱縱向應(yīng)變。：電阻絲徑向相對(duì)變形，或稱橫向應(yīng)變。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變間的關(guān)系為式中為泊松比。負(fù)號(hào)表示兩者變化相反。：電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力有關(guān)。第6頁/共73頁電阻式傳感器(4/22)E為電阻絲材料的彈性模量；為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。受力后電阻絲幾何尺寸變化所引起，對(duì)于同一材料（1+2v）為常數(shù)。受力后電阻率的改變引起，對(duì)金屬材料，E很小。在電阻絲拉伸比例范圍內(nèi)，電阻相對(duì)變化與其所受的軸向應(yīng)變成正比。第7頁/共73頁電阻式傳感器(5/22)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度S0定義為通常，S0=1.7~3.6。2）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中。測量原理：將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片粘貼在被測件上，被測物變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵—

阻值變化—

轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。第8頁/共73頁電阻式傳感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。（2）電阻應(yīng)變片的分類及材料金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式和膜式。1）絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式短接式第9頁/共73頁電阻式傳感器(7/22)絲式應(yīng)變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼?；鼐€式應(yīng)變片因圓弧部分參與變形，橫向效應(yīng)較大。短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大5～10倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點(diǎn)是克服了橫向效應(yīng)。安全電流：10~50mA，電阻：50~1000（典型120）。2）箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片由厚度為3~10m

的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。

大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀。

散熱好，允許電流大。

橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。

柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。第10頁/共73頁電阻式傳感器(8/22)3）膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。

應(yīng)變靈敏度大。

允許電流密度大。

工作范圍廣，可達(dá)-197～317℃。（3）電阻應(yīng)變片的應(yīng)用

測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。

將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。第11頁/共73頁電阻式傳感器(9/22)齒輪輪齒彎矩x位移傳感器m質(zhì)塊加速度傳感器F柱式測力傳感器第12頁/共73頁電阻式傳感器(10/22)注意事項(xiàng)應(yīng)變極限：機(jī)械滯后：零漂和蠕變：零漂：恒定溫度，無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性。蠕變：恒定溫度、恒定應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片阻值隨時(shí)間變化的特性。

應(yīng)變大—輸出非線性大。誤差為10%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。

敏感柵、底基及膠粘層承受機(jī)械應(yīng)變后，一般都會(huì)存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機(jī)械滯后。第13頁/共73頁電阻式傳感器(11/22)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)變片柵長/mm0.20.51235101520最高工作頻率/kHz125050025012583.3502516.612.5溫度影響：溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電阻變化往往具有同等數(shù)量級(jí)，須用適當(dāng)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（4）電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)

性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在1.0%~0.1%，高精度力傳感器已能達(dá)到0.03%~0.01%。

測量范圍廣壓力：104~109Pa；力：0.1~107N。

能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)。第14頁/共73頁電阻式傳感器(12/22)2.壓阻式傳感器（預(yù)習(xí)）（1）基本工作原理

是指半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)單晶半導(dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為對(duì)半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化E遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于形變引起的電阻變化(1+2v)，則

實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。第15頁/共73頁電阻式傳感器(13/22)靈敏度：由半導(dǎo)體理論E——半導(dǎo)體材料的彈性模量。L——沿某晶向L的壓阻系數(shù)；——沿某晶向L的應(yīng)力；半導(dǎo)體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高50～70倍。例：對(duì)于半導(dǎo)體硅，L=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011Pa,則S0=LE＝50～100。第16頁/共73頁電阻式傳感器(14/22)（2）壓阻式傳感器類型與特點(diǎn)

壓阻式傳感器有兩種類型1）利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用方法與電阻應(yīng)變片類似。2）在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，作為測量傳感元件，測量壓力和加速度等物理量。

壓阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)是溫度誤差大，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。1）靈敏度非常高。2）分辨率高，例如測量壓力時(shí)可測出10～20Pa的微壓。3）測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高。4）可測量低頻加速度和直線加速度。第17頁/共73頁電阻式傳感器(15/22)3.變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結(jié)構(gòu)和原理變阻器式傳感器實(shí)際是精密線繞電位器，通過改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。1）直線位移型xCxABCR改變觸點(diǎn)C的位置時(shí)，AC間電阻值為KL：單位長度內(nèi)的電阻值，/m。第18頁/共73頁電阻式傳感器(16/22)傳感器靈敏度：當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時(shí)，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。2）角位移型—角位移；K—單位弧度電阻值,/rad

。傳感器靈敏度：ACB第19頁/共73頁電阻式傳感器(17/22)3）非線性型（2）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負(fù)載效應(yīng)。xACB第20頁/共73頁電阻式傳感器(18/22)階梯輸出特性

是指電位器觸點(diǎn)的最小位移為線圈的一匝，每當(dāng)觸點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生一匝電阻值的跳躍，即輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階梯形折線。理想電位器每個(gè)階梯大小均相同，通過每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即為理論特性曲線。xR01）階梯輸出特性第21頁/共73頁電阻式傳感器(19/22)階梯誤差是指理想階梯特性線對(duì)理論直線的最大偏差。

階梯誤差式中：n為總匝數(shù)。顯然，減小ej必須增加n，當(dāng)骨架長度不變時(shí)，只有減小線徑。

分辨率（力）定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。分辨率例：1000匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器僅能檢測到它的總量程1/1000以上的位移量。第22頁/共73頁電阻式傳感器(20/22)

線性度線性度

是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)е码A梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。2）負(fù)載特性u(píng)0xpxRLuy對(duì)于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：式中：R0

—變阻器總電阻；

Rx

—x段的電阻。第23頁/共73頁電阻式傳感器(21/22)令，對(duì)直線位移型變阻器，于是，式中：空載時(shí)，由此可見，接入負(fù)載電阻RL后，輸出uy與r不再保持線性關(guān)系。負(fù)載誤差由負(fù)載特性引起的非線性誤差。01102030405060m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0reL若整個(gè)行程內(nèi)誤差不超過1%~3%，必須有RL

>(10~20)R0。第24頁/共73頁電阻式傳感器(22/22)因觸點(diǎn)與繞線間存在摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般小于20m。噪聲大。主要應(yīng)用于線位移、角位移測量。或作為伺服記錄儀或電子電位差計(jì)。（3）變阻器式傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號(hào)大，受外界條件影響小。缺點(diǎn)：（4）變阻器式傳感器的應(yīng)用第25頁/共73頁4.4

電感式傳感器

(InductanceTransducer)

將被測量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機(jī)械量，轉(zhuǎn)換為電感量的變化。電感式傳感器

互感型（差動(dòng)變壓器式）按照變換方式的不同可分為：

自感型（包括可變磁阻式與渦流式）1.自感型傳感器（1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜鐵之間存在氣隙。第26頁/共73頁電感式傳感器(2/20)由電工學(xué)可知，線圈自感量：i—線圈中流過的電流。

—通過線圈的磁通量。

Rm

—磁路的總磁阻（H-1），Rm=

RF

+

R

，其中RF為

鐵心與銜鐵的磁阻；R為空氣隙磁阻。ix123L01—線圈；2—鐵心；3—銜鐵式中：W—線圈匝數(shù)；第27頁/共73頁電感式傳感器(3/20)式中：l1、l2

—鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁長度；

1、2

—鐵心和銜鐵的磁導(dǎo)率；

A1、A2

—鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁截面積；

—?dú)庀堕L度；

0

—空氣磁導(dǎo)率，0=410-7H·m-1

；

A0

—空氣隙導(dǎo)磁截面積。若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙較小時(shí)：一般，1和2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0，即：RF

<<R

，因此，第28頁/共73頁電感式傳感器(4/20)自感L與氣隙成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。結(jié)論：當(dāng)固定A0，變化時(shí)，L與成非線性關(guān)系，傳感器靈敏度為了減小非線性誤差，/0≤0.1。變氣隙長度式傳感器適用于微小位移的測量，范圍為0.001~1mm。傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。結(jié)論：第29頁/共73頁電感式傳感器(5/20)1）可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu)

可變導(dǎo)磁面積型特點(diǎn)：線性，靈敏度低。

差動(dòng)變氣隙型特點(diǎn)：提高靈敏度，改善線性特性。~x~x第30頁/共73頁電感式傳感器(6/20)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測量。

單螺管線圈型

雙螺管差動(dòng)型特點(diǎn)：提高靈敏度，改善線性特性。x~x~第31頁/共73頁電感式傳感器(7/20)2）差動(dòng)變氣隙傳感器工作原理對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈的間隙按0、0+變化，即一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)減小。當(dāng)/<<1時(shí)：~x第32頁/共73頁電感式傳感器(8/20)差動(dòng)方式時(shí)，

靈敏度，為原來的兩倍。L無偶次非線性項(xiàng)，降低了非線性特性。非差動(dòng)方式時(shí)，結(jié)論：第33頁/共73頁原理:渦流效應(yīng)電感式傳感器第34頁/共73頁電感式傳感器(9/20)（2）渦流式傳感器當(dāng)金屬板置于變化磁場中或在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬板體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度以及金屬板與線圈距離、激勵(lì)電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。1）高頻反射式渦流傳感器渦流式傳感器分為高頻反射式渦流傳感器和低頻透射式傳感器。金屬板ii1第35頁/共73頁電感式傳感器(10/20)金屬板置于線圈附近，相互間距為

。高頻交變電流i-磁通—（趨膚效應(yīng)）“旋渦狀”閉合感應(yīng)電流i1

（渦電流或渦流）—

交變磁通1—

反作用于線圈。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。工作原理通常線圈尺寸、激勵(lì)電流i及其頻率一定，若金屬板材料一定，變化可以用來測量位移、振動(dòng)等參量。若一定，變化或可實(shí)現(xiàn)材質(zhì)鑒別或無損探傷。等效阻抗的變化程度與線圈尺寸、距離、金屬板電阻率和磁導(dǎo)率、線圈激勵(lì)電流i

及其頻率有關(guān)。

1）高頻反射式渦流傳感器第36頁/共73頁電感式傳感器(11/20)2）低頻透射式渦流傳感器L1和L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈。

L1通低頻（音頻）交流電流。在L2中產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2。金屬板產(chǎn)生的渦流消耗了一部分磁場能量，使u2有所降低，板越厚，u2越低。工作原理高頻反射式渦流傳感器等效電路如下圖，M為線圈與金屬板中渦流回路的互感系數(shù)。ML2L1usu2l第37頁/共73頁電感式傳感器(12/20)RCLL1R1ii1M等效阻抗：金屬板增加了傳感器線圈的等效電阻，降低了線圈的品質(zhì)因素，同時(shí)改變了線圈的等效電感。傳感器線圈L

與電容C

共同組成并聯(lián)諧振回路，諧振頻率為線圈等效電感改變，必然導(dǎo)致諧振頻率變化。結(jié)論：第38頁/共73頁電感式傳感器(13/20)3）影響渦流傳感器靈敏度的因素

被測物材質(zhì)

被測物形狀和大小

電渦流產(chǎn)生的渦流環(huán)的直徑也一定。因此對(duì)板狀被測物的最小尺寸有要求。

電導(dǎo)率越高，靈敏度越大；磁性材料渦流損耗大，導(dǎo)致靈敏度降低。

在傳感器周圍磁場范圍內(nèi)，不應(yīng)有非被測對(duì)象的金屬物體，否則，會(huì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致靈敏度下降和線性范圍減小。實(shí)測表明，非被測金屬離傳感器線圈的距離必須大于線圈的直徑。一般要求，被測金屬的最小尺寸大于傳感器線圈直徑的1.8倍；被測物為圓柱體時(shí)，其直徑要求大于線圈直徑的3.5倍。

安裝位置第39頁/共73頁電感式傳感器(14/20)4）渦流傳感器的特點(diǎn)

非接觸測量。

靈敏度高。

分辨力高，檢測范圍0~2mm，最高分辨力可達(dá)滿量程的0.1%。

結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油液等介質(zhì)影響。5）渦流傳感器的應(yīng)用

回轉(zhuǎn)軸振動(dòng)測試。

回轉(zhuǎn)軸誤差測量。

厚度測量。

零件計(jì)數(shù)。

接近開關(guān)。

表面裂紋或缺陷檢測。

材質(zhì)判別。第40頁/共73頁電感式傳感器(15/20)表面裂縫檢測徑向振動(dòng)測量軸心軌跡測量轉(zhuǎn)速測量第41頁/共73頁第42頁/共73頁產(chǎn)品：第43頁/共73頁案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle第44頁/共73頁案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測第45頁/共73頁電感式傳感器(16/20)2.互感型（差動(dòng)變壓器式）傳感器（預(yù)習(xí)）工作原理

利用電磁感應(yīng)中的互感現(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，二次線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與一次線圈電流的變化率成正比M為兩線圈的互感，與兩線圈的相對(duì)位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。（1）可變磁阻式~i1L1L2e12互感現(xiàn)象第46頁/共73頁電感式傳感器(17/20)（2）差動(dòng)變壓器式

當(dāng)被測量轉(zhuǎn)換為銜鐵位移時(shí)，傳感器兩線圈的互感改變，導(dǎo)致輸出相應(yīng)改變。工作原理實(shí)際的互感傳感器通常采用兩個(gè)二次線圈，并接成差動(dòng)式，故稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。RLei~e2L2e1L1~R1R2eoM1M2變壓器由一次線圈L和兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同的二次線圈L1、L2組成。第47頁/共73頁電感式傳感器(18/20)

鐵心P位于中心位置：M1=M2，eo=0。

鐵心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，eo0，eo與e2同相。

eo與M成正比。第48頁/共73頁電感式傳感器(19/20)（3）幾點(diǎn)說明

存在零點(diǎn)殘余電壓（鐵心位于中心處時(shí)，M1M2，eo0）。

傳感器輸出電壓包含了位移的大小及方向——相敏檢波。R用于調(diào)節(jié)零點(diǎn)殘余電壓的大小。放大器相敏檢波振蕩器差動(dòng)相敏檢波電路工作原理xR第49頁/共73頁案例：板的厚度測量~電感式傳感器播放第50頁/共73頁案例：張力測量電感式傳感器第51頁/共73頁電感式傳感器(20/20)（4）差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)

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

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

線性范圍大（可達(dá)100mm）。

穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。第52頁/共73頁4.5

電容式傳感器

(CapacitanceTransducer)1.工作原理及分類電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。A電容式傳感器實(shí)質(zhì)是一具有可變參數(shù)的電容器。電容量為—介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣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或發(fā)生變化都會(huì)引起C變化。第53頁/共73頁電容式傳感器(2/12)實(shí)際使用中，通常僅改變一個(gè)參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，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（改變）。（1）極距變化型電容式傳感器C與極距成反比，

當(dāng)極板間距減小時(shí)，電容為C極距變化型電容傳感器第54頁/共73頁電容式傳感器a)極距δ變化型++++++第55頁/共73頁電容式傳感器(3/12)電容增量為當(dāng)/0<<1時(shí)，有（近似線性）忽略非線性項(xiàng)，得非線性誤差為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。第56頁/共73頁電容式傳感器(4/12)設(shè)間距增加通常極距變化范圍/00.1，僅適于較小位移的測量（0.01m~數(shù)百微米）。為了提高靈敏度、線性特性及克服電源電壓、環(huán)境溫度等對(duì)測量精度的影響，常采用差動(dòng)式，靈敏度提高一倍，非線性誤差減小為21第57頁/共73頁電容式傳感器(5/12)（2）面積變化型電容式傳感器該傳感器的工作原理是在被測參數(shù)的作用下來變化極板的有效面積，常分為角位移型和線性位移型。1）角位移型式中：

—覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角；

r—

極板半徑。1—?jiǎng)影澹?—定板12第58頁/共73頁電容式傳感器(6/12)2）平面線位移型式中：b—極板寬度。xx?xb121—?jiǎng)影澹?—定板第59頁/共73頁平面線位移型電容式傳感器第60頁/共73頁電容式傳感器(7/12)3）圓柱線位移型式中：D—圓筒孔徑；

d—圓柱外徑。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—?jiǎng)影澹?—定板第61頁/共73頁電容式傳感器(8/12)（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(yùn)動(dòng)：---

介質(zhì)介電常數(shù)改變；

---電容量改變。無介質(zhì)2時(shí)，存在介質(zhì)2時(shí)，C=CA+CB

（并聯(lián)）b—

電容器極板寬度CACB12xl2第62頁/共73頁電容式傳感器(9/12)式中：1=

-2。顯然，靈敏度為常數(shù)，輸入輸出呈線性關(guān)系。第63頁/共73頁產(chǎn)品.電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）電容式傳感器第64頁/共73頁電容式傳感器(10/12)

可實(shí)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）導(dǎo)致低頻輸出阻抗很大（幾十甚至上百M(fèi)）、負(fù)載能力弱，電纜分布電容（大且不穩(wěn)定）影響大。（2）測量電路電橋型電路~L1L2C1C2放大相敏解調(diào)濾波2.特點(diǎn)與應(yīng)用

輸入能量?。O板間靜電引力?。?，靈敏度、高動(dòng)態(tài)特性好（可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高）；（1）特點(diǎn)第65頁/共73頁電容式傳感器(11/12)調(diào)頻振蕩器限幅鑒頻放大輸出Cx傳感器調(diào)頻電路3）應(yīng)用

電容式測厚軋輥工作極板被測帶材第66頁/共73頁電容式傳感器(12/12)

轉(zhuǎn)速測量12341—齒輪2—定極3—電容傳感器4—頻率計(jì)第67頁/共73頁4.2

傳感器選用原則

(PrincipleofTransducerSelection)1.靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。

傳感器往往要求有較大