傳感器技術(shù)（第三版） 課件 高曉蓉 第3、4章 電容式傳感器、電感式傳感器

同學(xué)們好！第三章電容式傳感器1920~1925電容傳感器用于測量70~80年代，應(yīng)用廣泛

集成電容傳感器CapacitiveSensor第三章電容式傳感器§3-1電容式傳感器的原理和結(jié)構(gòu)一、基本工作原理Principle&StructureofCapacitiveSensorBasicWorkingPrinciple1、平板電容器FlatCapacitor第三章電容式傳感器C——電容量，單位：F法拉——真空介電常數(shù)，8.85×10-12F/m——極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)A——極板的有效面積（m2）——兩平行極板間的距離（m）2、圓筒形電容器CylindricCapacitor第三章電容式傳感器二、變間隙型電容傳感器第三章電容式傳感器1、基本特性極板上移：討論：（1）略去高次項(xiàng)第三章電容式傳感器（2）考慮二次項(xiàng)2、有介電層的變間隙型電容傳感器第三章電容式傳感器3、差動(dòng)式變間隙型電容傳感器第三章電容式傳感器初始位置時(shí)動(dòng)極板上移第三章電容式傳感器提高一倍略去高次項(xiàng)：減小三、變面積型電容傳感器中間極移動(dòng)式變面積型差動(dòng)結(jié)構(gòu)變面積型板狀線位移變面積型角位移變面積型筒狀線位移變面積型結(jié)構(gòu)型式線性第三章電容式傳感器1、板狀線位移變面積型3、筒狀線位移變面積型2、角位移變面積型第三章電容式傳感器線性線性4、中間極移動(dòng)式變面積型第三章電容式傳感器135、差動(dòng)結(jié)構(gòu)變面積型①扇形平板結(jié)構(gòu)②柱面型結(jié)構(gòu)第三章電容式傳感器四、變介質(zhì)型電容傳感器例3-1:參考文獻(xiàn)：“高靜電場下的薄膜測厚技術(shù)”《儀表技術(shù)與傳感器》第三章電容式傳感器15例3-2電容式液位傳感器1、“用MATLAB語言建立液位電容傳感器特性的數(shù)學(xué)模型”，《傳感器技術(shù)》參考文獻(xiàn)：2、“射頻電容式傳感器的研究與應(yīng)用”《傳感器技術(shù)》第三章電容式傳感器線性1、電容式傳感器的類型？2、如何改善變間隙型電容傳感器的線性？3、變面積型電容傳感器的特點(diǎn)？第三章電容式傳感器4、如何改善變面積型電容傳感器間隙

變化的影響？§3-2電容式傳感器的測量電路電容式傳感器測量電路被測非電量U、I、f電容直放式外差式普通交流電橋耦合電感電橋變壓器電橋雙T二極管交流電橋交流電橋電路運(yùn)算放大器式電路調(diào)頻電路調(diào)幅電路調(diào)寬電路MeasuringCircuitofCapacitiveSensor第三章電容式傳感器一、調(diào)頻電路振蕩回路固有電容引線分布電容傳感器電容FrequencyModulatedCircuit第三章電容式傳感器被測信號(hào)調(diào)頻信號(hào)鑒頻信號(hào)第三章電容式傳感器二、調(diào)幅電路（1）普通交流電橋電路1、交流電橋電路普通交流電橋耦合電感電橋變壓器電橋雙T二極管交流電橋交流電橋電路運(yùn)算放大器式電路調(diào)幅電路AmplitudeModulatedCircuit第三章電容式傳感器（2）緊耦合電感電橋第三章電容式傳感器耦合系數(shù)第三章電容式傳感器電路諧振點(diǎn)：（3）變壓器電橋第三章電容式傳感器第三章電容式傳感器回路1回路2節(jié)點(diǎn)A第三章電容式傳感器差動(dòng)變間隙型：線性關(guān)系（4）雙T二極管交流電橋第三章電容式傳感器第三章電容式傳感器2、運(yùn)算放大器式電路第三章電容式傳感器“變氣隙式電容傳感器非線性補(bǔ)償新方法”，《傳感器世界》參考文獻(xiàn)：第三章電容式傳感器變間隙型：線性關(guān)系三、脈沖寬度調(diào)制電路雙穩(wěn)觸發(fā)器濾波器PulseWidthModulatedCircuit第三章電容式傳感器跳變觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)跳變觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)31第三章電容式傳感器32第三章電容式傳感器差動(dòng)變間隙型：差動(dòng)變面積型：電容式傳感器測量電路被測非電量U、I、f電容直放式外差式普通交流電橋耦合電感電橋變壓器電橋雙T二極管交流電橋交流電橋電路運(yùn)算放大器式電路調(diào)頻電路調(diào)幅電路調(diào)寬電路第三章電容式傳感器§3-3電容式傳感器的應(yīng)用C——傳感器電容L——電感RP——并聯(lián)損耗電阻RS——串聯(lián)損耗電阻CP——寄生電容ApplicationofCapacitiveSensor高溫、高濕、高激勵(lì)一、等效電路EquivalentCircuit第三章電容式傳感器二、應(yīng)用中存在問題保護(hù)環(huán)減小極板厚度d極板間隙保護(hù)環(huán)靈敏度降低、非線性增加ProblemsExisting

inApplication1、邊緣效應(yīng)EdgeEffect第三章電容式傳感器2、寄生電容消滅寄生電容的影響，是傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。消滅寄生電容的方法：①驅(qū)動(dòng)電纜法等電位屏蔽法ParasiticCapacitance第三章電容式傳感器③采用組合式與集成技術(shù)②整體屏蔽法第三章電容式傳感器三、應(yīng)用舉例1、電容測厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用“電容式板材在線測厚儀”，《儀表技術(shù)與傳感》參考文獻(xiàn)：ApplicationExamples第三章電容式傳感器2、電容式稱重傳感器誤差平均效應(yīng)參考文獻(xiàn)：“電容式稱重傳感器”，《傳感器技術(shù)》CapacitiveWeighingSensor第三章電容式傳感器3、電容式壓力傳感器單只變間隙型差動(dòng)式壓差CapacitivePressureSensor第三章電容式傳感器4、電容式加速度傳感器慣性原理CapacitiveAccelerationSensor第三章電容式傳感器靈敏度：

0.35mV/g/V第三章電容式傳感器參考文獻(xiàn)：“微機(jī)械加工硅電容式加速度傳感器”《傳感器技術(shù)》參考文獻(xiàn)：“利用電容式加速度傳感器測量電梯運(yùn)動(dòng)特性”，《儀表技術(shù)與傳感器》第三章電容式傳感器美國PCB公司：370A03加速度傳感器數(shù)據(jù)采集卡：ADLink公司PCI-9118HRLabView開發(fā)平臺(tái)組建虛擬儀器電梯轎廂運(yùn)行加速度曲線0

510152025301.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0第三章電容式傳感器5、容柵傳感器差動(dòng)變面積型、誤差平均效應(yīng)精度：10um范圍：0~150mm位移第三章電容式傳感器數(shù)顯卡尺數(shù)顯位移計(jì)第三章電容式傳感器

差動(dòng)變間隙型電容傳感器，初始電容，初始間隙，設(shè)動(dòng)極板相對(duì)于定極板位移了，計(jì)算其非線性誤差。若改為單極平板電容，初始值不變，非線性誤差有多大？設(shè)計(jì)一個(gè)油料液位監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)液位高于H1時(shí)，鳴響震鈴且紅色LED亮，當(dāng)液位低于H2時(shí)，鳴響震鈴且黃色LED亮，當(dāng)液位處于H1和H2之間時(shí)，綠色LED亮。教材：pp.97習(xí)題13、14第三章電容式傳感器49同學(xué)們好！50第四章電感式傳感器變磁阻式傳感器InductanceTransducer自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器電感式接近傳感器EMAT電磁聲傳感器51§4-1自感式傳感器一、工作原理空氣導(dǎo)磁率導(dǎo)磁率H/m第四章電感式傳感器總磁阻線圈匝數(shù)52二、結(jié)構(gòu)特性1、變氣隙式自感傳感器第四章電感式傳感器（1）銜鐵下移動(dòng)態(tài)測量范圍：0.001~1mm第四章電感式傳感器忽略高次項(xiàng)（2）銜鐵上移忽略高次項(xiàng)：542、差動(dòng)自感傳感器第四章電感式傳感器忽略高次項(xiàng)提高一倍銜鐵下移：553、螺管式自感傳感器特點(diǎn)：測量范圍大，數(shù)百毫米，大量程直線位移，靈敏度低。

4、差動(dòng)螺管式自感傳感器測量范圍1~200mm線性度0.1%~1%分辨率<0.01um第四章電感式傳感器三、測量電路1、交流電橋式第四章電感式傳感器差動(dòng)自感傳感器：57第四章電感式傳感器（2）銜鐵下移：（1）初始位置：2、變壓器式交流電橋58第四章電感式傳感器銜鐵下移：（3）銜鐵上移：593、相敏檢波電路第四章電感式傳感器③銜鐵下移②銜鐵上移①銜鐵中間位置正半周負(fù)半周60四、應(yīng)用舉例1、電感測微儀探頭測量電橋交流放大相敏檢波指示器振蕩器第四章電感式傳感器61變氣隙式電感測微儀動(dòng)態(tài)測量范圍：±1mm分辨率：1um精度：3%第四章電感式傳感器62F2、電感壓力傳感器——變氣隙式結(jié)構(gòu)第四章電感式傳感器63變氣隙式差動(dòng)壓力傳感器第四章電感式傳感器電感式油壓傳感器

——液壓傳動(dòng)的各種機(jī)械裝置第四章電感式傳感器65例：差動(dòng)式電感測厚儀教材113頁例4-1第四章電感式傳感器66§4-2互感式傳感器差動(dòng)變壓器第四章電感式傳感器當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)一、結(jié)構(gòu)和工作原理67第四章電感式傳感器二、等效電路68第四章電感式傳感器（1）銜鐵位于中間位置時(shí)69第四章電感式傳感器（2）當(dāng)銜鐵上移時(shí)（3）當(dāng)銜鐵下移時(shí)70第四章電感式傳感器靈敏度輸出阻抗：三、測量電路1、差動(dòng)整流電路——辨別移動(dòng)方向——消除零點(diǎn)殘存電壓第四章電感式傳感器正半周負(fù)半周電壓輸出型全波整流電路72第四章電感式傳感器①當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)②當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)③當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)732、相敏檢波電路正半周負(fù)半周第四章電感式傳感器74i1>i2i1i2i4>i3i3i4Ui與Uj同相Ui與Uj反相？第四章電感式傳感器分析并畫出相敏檢波電路在Ui與Uj反相時(shí)的波形。Ui、Uj、i1、i2、i3、i4、im課堂練習(xí)第四章電感式傳感器76第四章電感式傳感器變磁阻式傳感器InductanceTransducer自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器電感式接近傳感器EMAT電磁聲傳感器77§4-3電渦流式傳感器電阻率、相對(duì)導(dǎo)磁率、厚度線圈與金屬導(dǎo)體間的距離金屬導(dǎo)體：線圈：大小Eddy–currentsensor線圈激勵(lì)信號(hào)頻率一、基本原理BasicPrinciple第四章電感式傳感器（2）影響因數(shù)：L2、R2、L1、R1、w、M(x)（3）Z、L、Q值都是M(x)平方的函數(shù)第四章電感式傳感器等效電阻：等效電感：品質(zhì)因數(shù)無渦流影響時(shí)的Q值短路環(huán)阻抗其中討論：（1）80二、結(jié)構(gòu)類型1、變間隙型電渦流傳感器Kr：相對(duì)靈敏度D：被測體直徑d：線圈直徑Structure&type第四章電感式傳感器發(fā)射線圈接收線圈812、低頻透射式電渦流傳感器

——測量金屬材料厚度Z：電橋電路L：諧振電路Q：Q值測量電路三、測量電路Measurecircuit第四章電感式傳感器無M最大下降有M越小M越厚，發(fā)射線圈接收線圈發(fā)射線圈接收線圈821、調(diào)頻式電路Frequencymodulated

circuit第四章電感式傳感器2、調(diào)幅式電路石英晶體振蕩器恒流源：f0、i0Amplitudemodulatedcircuit第四章電感式傳感器最大最大無M有M降低降低84例1：測量位移四、應(yīng)用舉例（2）汽輪機(jī)主軸的軸向竄動(dòng)量程：0~30mm分辨率：0.1%（1）液位監(jiān)控系統(tǒng)ApplicationExample第四章電感式傳感器85例2：測量轉(zhuǎn)速例3：測量膜厚第四章電感式傳感器齒輪齒數(shù)膜厚86例4：測量板材厚度例5：測量溫度例6：電渦流探傷——檢查金屬表面裂紋、焊接部位的探傷傳感器與被測體距離不變，裂紋將引起金屬的電阻率、磁導(dǎo)率變化，綜合引起傳感器參數(shù)變化。第四章電感式傳感器——溫度為t1和t0時(shí)的電阻率——電阻溫度系數(shù)87電渦流方法在輸電線損傷檢測中的應(yīng)用輸電導(dǎo)線和地線出現(xiàn)裂紋、斷股，危及系統(tǒng)安全。鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)：鍍鋅鋼線：磁性材料，負(fù)擔(dān)抗拉力。鋁股線：非磁性材料，承載電流傳輸。輸電線路完好對(duì)輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行極為重要。材質(zhì)脆變：交變張力、振動(dòng)引起的彎曲應(yīng)力、氣溫變化表面損傷：雷擊、電氣閃絡(luò)腐蝕：海濱、工業(yè)區(qū)用電第四章電感式傳感器88檢測原理：（a）被測金屬物上無缺陷：穿過檢測線圈的兩個(gè)線圈的磁通量相等，感應(yīng)電勢相互抵消，輸出為零。第四章電感式傳感器載有交變電流的線圈產(chǎn)生交變磁場，金屬物平面感應(yīng)出電渦流，產(chǎn)生交變渦流磁場，均在檢測線圈（反向差動(dòng)線圈）中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。89（b）被測金屬物上有缺陷：穿過檢測線圈的兩個(gè)線圈的磁通量不相等，檢測線圈輸出感應(yīng)電勢不為零?！半姕u流方法在輸電線損傷檢測中的應(yīng)用”，《傳感器技術(shù)》參考文獻(xiàn)第四章電感式傳感器90電渦流傳感器靜態(tài)標(biāo)定方法（實(shí)驗(yàn)三）實(shí)驗(yàn)一：被測金屬板采用鋁質(zhì)板，測量U-x關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)二：被測金屬板仍采用鋁質(zhì)板，但直徑較小，測量

U-x關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)三：被測金屬板采用鐵板，測量U-x關(guān)系曲線。StaticCalibration第四章電感式傳感器第四章電感式傳感器實(shí)驗(yàn)一：被測金屬板采用鋁質(zhì)板，測量U-x關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)二：被測金屬板仍采用鋁質(zhì)板，但直徑較小，測量

U-x關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)三：被測金屬板采用鐵板，測量U-x關(guān)系曲線。92

實(shí)驗(yàn)報(bào)告：（1）畫出（實(shí)驗(yàn)一）中的U-x關(guān)系曲線，確定傳感器的線性工作范圍，計(jì)算傳感器的靈敏度。（2）（實(shí)驗(yàn)二）中的輸出電壓增大說明直徑較小的鋁質(zhì)板的電渦流效應(yīng)大還是?。浚?）（實(shí)驗(yàn)三）中的輸出電壓增大說明鐵板比鋁質(zhì)板的電渦流效應(yīng)大還是??？（4）在傳感器與金屬板之間加入紙、塑料等物，對(duì)測量電壓輸出有無影響？加入金屬板后的情況如何？為什么？第四章電感式傳感器第四章電感式傳感器電渦流陣列傳感器ECAEddyCurrentArrayOlympusNDTmanufacturesR/DTechECAprobesforawiderangeofapplications.Probescanbedesignedtodetectaspecifictypeofflawortofollowtheshapeofthepartbeinginspected.Standarddesignsareavailabletodetectdefectssuchascracksandpitting,andsubsurfacedefectslikecracksinmultilayerstructuresaswellascorrosion.

第四章電感式傳感器Eddycurrentarrayandconventionaleddycurrenttechnologysharethesamebasicprinciple.Alternatingcurrentinjectedintoacoilcreatesamagneticfield(inblue).Whenthecoilisplacedoveraconductivepart,opposedalternatingcurrents(eddycurrents,inred)aregenerated.Defectsinthepartdisturbthepathoftheeddycurrents(inyellow).Thisdisturbancecanbemeasuredbythecoil.工作原理第四章電感式傳感器優(yōu)點(diǎn)：一次掃查更大面積、掃查路徑簡化、C掃視圖易于識(shí)別和缺陷大小定量、適合復(fù)雜外形掃查、檢測效率提高/en/ndt-tutorials/eca-tutorial/

第四章電感式傳感器電渦流陣列傳感器ECA和傳統(tǒng)電渦流傳感器第四章電感式傳感器TheOmniScan?ECAtestconfigurationsupports32sensorcoils(upto64withanexternalmultiplexer)workinginbridgeortransmit-receivemode.Theoperatingfrequencyrangesfrom20Hzto6MHzwiththeoptionofusingmultiplefrequenciesinthesameacquisition.測試儀器第四章電感式傳感器測試試塊第四章電感式傳感器測試結(jié)果第四章電感式傳感器MutualInductanceisavoidedbymultiplexingWheneddycurrentarraydataismultiplexed,theindividualeddycurrentcoilsareexcitedatdifferenttimes,allowingthesystemtoexciteallofthecoilsintheprobewithouteverexcitinganytwoadjacentcoilsatthesametime.第四章電感式傳感器Forrivetapplications,theeddycurrentcoilsthatpassoveradefectiverivetgenerateauniquesignalresponse.Forcoilsthatareaffectedbyacrackinitiatingfromtherivethole,anamplitudechangeisrepresentedintheC-Scandisplay.Forcoilsthatdetectnochange,thecolorrepresentationremainsconstantintheC-scandisplay.應(yīng)用實(shí)例-1第四章電感式傳感器應(yīng)用實(shí)例-2Corrosiondetectionusingeddycurrentarraytechnologyoffersmajoradvantagesoverconventionaleddycurrentinspectionmethods.Becauseeachindividualeddycurrentcoilgeneratesauniqueelectricalsignalinrelationtothestructurebelowit,thecoilscandetectverysmallchangesinmaterialthickness,alongwithotherparameters,anddisplaythesechangesasacolor-codedC-scanimage.Imagingusingeddycurrentarrayallowseasyinterpretationofthedatageneratedfromtheprobecoils.Afterithasbeencollected,theinspectiondatacanbestored,transmitted,andanalyzed.103同學(xué)們好！104第四章電感式傳感器InductanceTransducer變磁阻式傳感器自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器電感式接近傳感器EMAT電磁聲傳感器105電感式接近傳感器兩種狀態(tài)：振蕩、停振