传感器及其应用3

1、第三章第三章 变阻抗式传感器变阻抗式传感器 3.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 （自感原理）（自感原理） 3.2 差动变压器式传感器（互感原理）差动变压器式传感器（互感原理） 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 （涡流原理）（涡流原理） 3.4 电容式传感器电容式传感器 第三章第三章 变阻抗式传感器变阻抗式传感器 变阻抗式传感器定义：是指由变阻抗式传感器定义：是指由电感器、电感器、电容器电容器等可变电阻抗器件构成的传感器。等可变电阻抗器件构成的传感器。 工作原理：当输入量变化时引起器件工作原理：当输入量变化时引起器件的阻抗变化，从而确定输入量的变化大小。的阻抗变化，从而确定输入量的变化

2、大小。 XL=L=2f L -感抗感抗 XC= = -容抗容抗 分类：电感式传感器、电容式传感器分类：电感式传感器、电容式传感器c1fc213.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 工作原理：电感式传感器是利用被测量的变化引起工作原理：电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈线圈自感或互感系数自感或互感系数的变化来实现测量的一种装置，的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力位移、振动、压力、流量、重量、力矩和应变矩和应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感是可变自感或可变互

3、感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用或互感的变化时，一般要利用磁场磁场作为媒介或利用作为媒介或利用铁磁体铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有的某些现象。这类传感器的主要特征是具有绕组绕组。分类：自感式（一绕组）、互感式（两绕组）分类：自感式（一绕组）、互感式（两绕组）3.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 自感式传感器分：自感式传感器分： 变隙式变隙式传感器（差动变隙式传感器）传感器（差动变隙式传感器） 变面积型变面积型电感传感器电感传感器 螺线管式螺线管式电感传感器电感传感器3.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 一、一、变隙式变隙式传感器（差动变隙式传感器）传感

4、器（差动变隙式传感器） 自感自感L与空气隙与空气隙成反比，为非线性输出特性，适用于测量位成反比，为非线性输出特性，适用于测量位移较小场合。传感器的灵敏度移较小场合。传感器的灵敏度 K K L/L/工作原理：衔铁与被测工作原理：衔铁与被测物体连接，当被测物体物体连接，当被测物体移动时，气隙厚度移动时，气隙厚度发生发生变化，气隙的变化，气隙的磁阻磁阻发生发生相应的变化，从而导致相应的变化，从而导致电感的变化，因而确定电感的变化，因而确定被测量的位移大小。被测量的位移大小。3.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 一、一、变隙式变隙式传感器（差动变隙式传感器）传感器（差动变隙式传感器） 为了为了提高

5、灵敏度，改善线性度提高灵敏度，改善线性度，常做成差动变，常做成差动变隙式电感传感器。当被测物上下移动时，一边间隙隙式电感传感器。当被测物上下移动时，一边间隙增大，另一边间隙减少。增大，另一边间隙减少。3.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 二、二、变面积型电感变面积型电感传感器传感器 L与与S0为线性为线性工作原理工作原理不变不变S变变导致导致L变变3.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 二、二、变面积型电感变面积型电感传感器传感器 3.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 三、三、螺管式电感螺管式电感传感器传感器 工作原理：当活动衔铁随被测物移动时，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电

6、感量也因此而变化。L的大小与衔铁插入线圈的深度有关。3.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 四、自感式传感器测量电路四、自感式传感器测量电路 1、调幅电路、调幅电路 变压器电路变压器电路 相敏检波电路相敏检波电路 谐振式调幅电路谐振式调幅电路2、调频电路、调频电路3、调相电路、调相电路检测题检测题1、变阻抗式传感器是指由、变阻抗式传感器是指由_、_等可等可变电阻抗器件构成的传感器。变电阻抗器件构成的传感器。2、感抗、感抗XL=_=_ ;容抗容抗XC=_= _3、电感式传感器的工作原理是、电感式传感器的工作原理是_，可以用来测量可以用来测量_、_、_、力矩和应变、力矩和应变等多种物理量。这类传

7、感器的主要特征是具有等多种物理量。这类传感器的主要特征是具有_。4、自感式传感器分：、自感式传感器分：_传感器、传感器、_电感电感传感器、传感器、_电感传感器电感传感器,为了提高灵敏度和线性为了提高灵敏度和线性度，常做成度，常做成_式电感传感器。式电感传感器。5、传感器的测量电路经常使用电桥电路，、传感器的测量电路经常使用电桥电路，_是单臂电桥灵敏度的是单臂电桥灵敏度的4倍，倍，_是单臂电桥灵是单臂电桥灵敏度的敏度的2倍。倍。 检测题检测题6、画出课本、画出课本P44的图的图36变压器式电桥、图变压器式电桥、图37相敏检相敏检波电路、图波电路、图39a谐振式调幅电路、图谐振式调幅电路、图310

8、（左）调频（左）调频电路框图、图电路框图、图311（左）调相电路。（左）调相电路。7、一根由铜制成的导线，长度为、一根由铜制成的导线，长度为50分米，横截面积为分米，横截面积为4平方毫米，常温平方毫米，常温20时，铜的电阻率时，铜的电阻率0.01780.0178mm2 /m，这根导线的电阻为多少？这根导线的电阻为多少？8、有一线圈，其电感量、有一线圈，其电感量L为为60H，当在，当在220V，50HZ的的交流电为激励电压下工作时，线圈的感抗（或阻抗）为多交流电为激励电压下工作时，线圈的感抗（或阻抗）为多少？（少？（1 H 106 H） 3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 变压器式传感

9、器工作原理变压器式传感器工作原理：变压器式传感器是将被测的：变压器式传感器是将被测的非电量非电量转换为传感器线圈间转换为传感器线圈间互感系数互感系数的变化的一种磁电的变化的一种磁电动机构，很像动机构，很像变压器变压器的工作原理，因此常称其为变压器的工作原理，因此常称其为变压器式传感器。这种传感器多采用式传感器。这种传感器多采用差动形式差动形式（提高灵敏度）（提高灵敏度）分类：分类： 变隙式差动变隙式差动传感器（二个初线圈二个次线圈）传感器（二个初线圈二个次线圈） 螺管式差动螺管式差动传感器（一个初线圈二个次线圈）传感器（一个初线圈二个次线圈） 3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、

10、螺管式差动传感器一、螺管式差动传感器形式：形式：根据初、次级排列不同有二节式、三根据初、次级排列不同有二节式、三 节式、四节式、五节式节式、四节式、五节式工作原理：工作原理：对于差动变压器，当衔铁处于中间对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，差动输出电动势为位置时，差动输出电动势为0 0；当衔铁向二次；当衔铁向二次绕组上下移动时，输出电动势不为绕组上下移动时，输出电动势不为0 0（）。）。因此，因此，通过差动变压器输出电动势的大小和相通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。位可以知道衔铁位移量的大小和方向。 3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 一、螺管式差

11、动传感器一、螺管式差动传感器零点残余电压：零点残余电压： 当差动变动器的衔铁处于中当差动变动器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为间位置时，理想条件下其输出电压为0 0，但实，但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值存在。会给测量被测量带来误差。小的电压值存在。会给测量被测量带来误差。减小零点残余电压办法：减小零点残余电压办法：尽可能保证传感器几尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数对称；采用补偿电路，何尺寸、线圈电气参数对称；采用补偿电路，在二次侧线圈中串、并联电容电阻元件。在二次侧线圈中串、并联电容电阻元件。 3.2 差动变压器

12、式传感器差动变压器式传感器 二、变隙式差动传感器二、变隙式差动传感器工作原理：工作原理：当衔铁处于中间位置时，即两边气当衔铁处于中间位置时，即两边气隙相同，输出电压为隙相同，输出电压为0 0；当衔铁偏离中间位置；当衔铁偏离中间位置时，两边气隙不相等，有电压输出，不为时，两边气隙不相等，有电压输出，不为0 0，此电压的大小与极性反映被测物位移的大小和此电压的大小与极性反映被测物位移的大小和方向。通过相敏检波电路，使最终输出电压的方向。通过相敏检波电路，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。极性能反映位移的方向。 气隙型差动变压器式传感器气隙型差动变压器式传感器 当没有非电量输入时，衔当没有非电量

13、输入时，衔铁铁C与铁心与铁心A、B的间隔相的间隔相同，则绕组同，则绕组W1a和和W2a间的间的互感互感ma与绕组与绕组W1b和和W2b间间的互感的互感mb相等。相等。 当衔铁的位置改变时，则当衔铁的位置改变时，则ma不等于不等于mb，ma和和mb的的差值即可反映被测量值的差值即可反映被测量值的大小。大小。为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压流电压u，二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成，二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电动势电动势e2为：为：e2=e2a-e2b （e2值的大小取决于被测位

14、移的大小，值的大小取决于被测位移的大小，e2的方向取决于位移的方向。）的方向取决于位移的方向。） 截面积型差动变压器式传感器截面积型差动变压器式传感器 图所示为改变气隙有效截面积型图所示为改变气隙有效截面积型差动变压器式传感器，输入非电差动变压器式传感器，输入非电量为角位移量为角位移。一个山字形铁。一个山字形铁芯芯A上绕有三个绕组上绕有三个绕组衔铁衔铁B以以O点为轴转动，衔铁点为轴转动，衔铁B转转动时由于改变了铁芯与衔铁间磁动时由于改变了铁芯与衔铁间磁路上的垂直有效截面积路上的垂直有效截面积s，也就改，也就改变了绕组间的互感，使其中一个变了绕组间的互感，使其中一个互感增大，另一个互感减小，因互

15、感增大，另一个互感减小，因此两个二次绕组中的感应电动势此两个二次绕组中的感应电动势也随之改变。也随之改变。 将绕组将绕组w2a和和w2b反相串联并测量合成电动势反相串联并测量合成电动势e2，就可以，就可以判断出非电量的大小及方向。判断出非电量的大小及方向。3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 三、差动变压器式传感器的主要性能三、差动变压器式传感器的主要性能1 1、灵敏度：、灵敏度：是指在单位电压激励下，铁芯移是指在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，单位：动一个单位距离时的输出电压，单位：V/mmV/mm K K与输入激励电压、激励电源频率与输入激励电压、激励电源频率f

16、f有关。有关。2 2、线性度：、线性度：传感器实际特性曲线与理论直线传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（用百分比分数之间的最大偏差除以测量范围（用百分比分数来表示）来表示） 与骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排与骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯尺寸和材质，激励频率和状态有关。列，铁芯尺寸和材质，激励频率和状态有关。 3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 四、差动变压器式传感器的测量电路四、差动变压器式传感器的测量电路 测量电路的任务：能辨别被测物体的移动测量电路的任务：能辨别被测物体的移动方向，消除零点残余电压。有：方向，消除零点残余电压。有：1 1、差动整流

17、电路、差动整流电路2 2、差动相敏检波电路、差动相敏检波电路3 3、直流差动变压器电路、直流差动变压器电路 应用场合：需要远应用场合：需要远 距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动变压器，且需要避免相互间或对其它仪器设备变压器，且需要避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合产生干扰的场合3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 五、差动变压器式传感器的应用五、差动变压器式传感器的应用 常用于测量振动、厚度、应变、压力、加常用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等物理量速度等物理量1、测量加速度、测量加速度 为了测量列车运行的为了测量列车运行的速度和

18、加速度速度和加速度的大小，可采的大小，可采用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的用如图所示的装置，它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的（测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线成的（测量仪未画出）。当列车经过线圈上方时，线圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置圈中产生的电流被记录下来，就能求出列车在各位置的速度和加速度。的速度和加速度。SOB2、测量小位移、测量小位移 一般来说，较小位移量的测量采用差动变压器，一般来说，较小位移量的测量采用差动变压器，图中列出其应用实例。图（图中列出其应用实

19、例。图（a）为）为测物体重量的电子秤测物体重量的电子秤，用差动变压器把弹簧的位移变为电信号，换算为重量用差动变压器把弹簧的位移变为电信号，换算为重量即可；图（即可；图（b）为）为偏心测量仪偏心测量仪，以起始点作为基准，用，以起始点作为基准，用正负量来显示转体的偏心程度。正负量来显示转体的偏心程度。（a）电子秤）电子秤 （b）偏心测量仪）偏心测量仪 3、测量压力、测量压力 压力传感器组成：差动变压器和弹性敏感元件压力传感器组成：差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒、弹簧管等）（膜片、膜盒、弹簧管等）3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 涡流：涡流：当导体置于变化的磁场中或在固定磁场当导体置于变化

20、的磁场中或在固定磁场中运动时，导体内会产生感应电动势形成电流，中运动时，导体内会产生感应电动势形成电流，这种电流在导体内是闭合的这种电流在导体内是闭合的电涡流式传感器工作原理：电涡流式传感器工作原理：是利用电涡流效应是利用电涡流效应工作的工作的特点：特点：结构简单，灵敏度高，不受油污等介质结构简单，灵敏度高，不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广的影响，并能进行非接触测量，适用范围广应用：应用：广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损擦伤领域温度、硬度等参数，以及用于无损擦伤领域 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器

21、一、高频反射式涡流传感器一、高频反射式涡流传感器1 1、基本原理：、基本原理：线圈置于金属导体附近，线圈线圈置于金属导体附近，线圈 中通以中通以高频电流信号高频电流信号，正弦交变磁场正弦交变磁场，金属导，金属导体内就会产生涡流，涡流产生电磁场，反作用体内就会产生涡流，涡流产生电磁场，反作用于线圈，改变了电感。于线圈，改变了电感。2 2、等效电路、等效电路3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、高频反射式涡流传感器一、高频反射式涡流传感器3 3、传感器的结构：、传感器的结构：如图如图3 331314 4、测量电路：、测量电路：谐振电路、电桥电路、谐振电路、电桥电路、 Q Q值测量电路值测量电路

22、 课本只介绍了三种谐振电路课本只介绍了三种谐振电路3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 一、高频反射式涡流传感器一、高频反射式涡流传感器 谐振电路：谐振电路： 定频调幅电路：定频调幅电路：晶体振荡器提供高频激励晶体振荡器提供高频激励 信号，信号，L L为传感器线圈电感，与电容为传感器线圈电感，与电容C C并联并联 组成谐振回路。如图组成谐振回路。如图3 33232变频调幅电路：变频调幅电路：传感器线圈传感器线圈L L直接接入电容直接接入电容 三点式回路，以振荡器输出电压作为输三点式回路，以振荡器输出电压作为输 出信号。灵敏度高，线性范围宽。出信号。灵敏度高，线性范围宽。 调频电路：调频电路：与

23、变频调幅电路一样，但以振与变频调幅电路一样，但以振荡频率的变化作为输出信号。提高稳定性荡频率的变化作为输出信号。提高稳定性3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、低频透射式涡流传感器二、低频透射式涡流传感器1 1、基本原理：、基本原理：线圈线圈L1L1上通以交变电流产生交上通以交变电流产生交变磁场，在金属薄板变磁场，在金属薄板M M上产生涡流，穿过金属上产生涡流，穿过金属板，在线圈板，在线圈L2L2上会产生电感应电动势上会产生电感应电动势E E。E E的大的大小间接反映了金属薄板小间接反映了金属薄板M M的厚度的厚度l l3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 二、低频透射式涡流传感器二、低频

24、透射式涡流传感器2 2、频率的选择：、频率的选择：测较小的材料，如紫铜，选测较小的材料，如紫铜，选用较低的用较低的f(500Hz)f(500Hz)；测较大的材料，如黄铜、；测较大的材料，如黄铜、铝时，选用较高的铝时，选用较高的f(2kHz)f(2kHz)。目的是保证线性。目的是保证线性度和灵敏度。度和灵敏度。3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、涡流式传感器的应用三、涡流式传感器的应用1 1、测位移：、测位移：测量金属件的静态或动态位移，测量金属件的静态或动态位移，最大量程达数最大量程达数百毫米百毫米，分辨率为，分辨率为0.1%0.1%，最高分，最高分辨率辨率0.050.05m m。测量。

25、测量机器转轴的轴向窜动、金机器转轴的轴向窜动、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、液体压力液体压力等。等。2 2、测厚度：、测厚度：根据输出电压的变化，就可以知根据输出电压的变化，就可以知道金属板厚的大小。可制成道金属板厚的大小。可制成金属镀层厚度测量金属镀层厚度测量仪、非接触式板厚测量仪、接触式金属或非金仪、非接触式板厚测量仪、接触式金属或非金属板厚测量仪属板厚测量仪。3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 三、涡流式传感器的应用三、涡流式传感器的应用3 3、测温度：、测温度：导体的电阻率导体的电阻率与温度与温度t t有关，使有关，使传感器的输出只

26、与电阻率有关，可测量传感器的输出只与电阻率有关，可测量液体、液体、气体介质温度或金属材料的表面温度气体介质温度或金属材料的表面温度。适合于。适合于低温到常温低温到常温的测量的测量。（提问：前面我们还学了。（提问：前面我们还学了用什么可测量温度？）用什么可测量温度？）4 4、涡流探伤：、涡流探伤：通过测量传感器参数的变化可通过测量传感器参数的变化可达到探伤的目的。为了得到准确的裂缝信号，达到探伤的目的。为了得到准确的裂缝信号，采用滤波器把干扰信号去掉。可以用来检查采用滤波器把干扰信号去掉。可以用来检查金金属的表面裂纹、热处理裂纹属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于以及用于焊接部位焊接部位的探伤的探伤

27、等。等。检测题检测题1、差动变压器式传感器分、差动变压器式传感器分_传感器和传感器和_传感器两类。传感器两类。2、电涡流式传感器分、电涡流式传感器分_涡流传感器、涡流传感器、_涡流涡流传感器两大类。传感器两大类。3、变压器式传感器工作原理是将被测的非电量转换为传、变压器式传感器工作原理是将被测的非电量转换为传感器线圈间感器线圈间_的变化的一种磁电动机构，很像变压的变化的一种磁电动机构，很像变压器的工作原理，因此常称其为变压器式传感器。这种传感器的工作原理，因此常称其为变压器式传感器。这种传感器多采用器多采用_形式。形式。4、电涡流式传感器的工作原理是利用、电涡流式传感器的工作原理是利用_效应工

28、作效应工作的。的。5、电涡流式传感器可应用于测量位移、电涡流式传感器可应用于测量位移、_、温度、温度、振动、振动、_等。等。 检测题检测题、通过螺管式差动传感器输出电动势的大小和、通过螺管式差动传感器输出电动势的大小和_可以知道衔铁位移量的大小和可以知道衔铁位移量的大小和_。、差动变压器式传感器常用于测量振动、厚度、差动变压器式传感器常用于测量振动、厚度、_、压力、压力、_等物理量。等物理量。、高频反射式涡流传感器的测量电路有、高频反射式涡流传感器的测量电路有_、_和和Q值测量电路。值测量电路。、差动变压器式传感器的测量电路有差动整流电路、差动变压器式传感器的测量电路有差动整流电路、_、_。

29、10、什么叫做涡流？、什么叫做涡流？11、什么是零点残余电压？怎样减小零点残余电压？、什么是零点残余电压？怎样减小零点残余电压？12、简述低频透射式传感器的工作原理，并画出原理图。、简述低频透射式传感器的工作原理，并画出原理图。 3.4 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器工作原理：电容式传感器工作原理：是一种能将是一种能将被测物理量被测物理量转变转变为传感器的为传感器的电容量电容量变化，然后再通过一定的电路将此变化，然后再通过一定的电路将此电容的变化转换为电容的变化转换为电压、电流或频率等信号电压、电流或频率等信号的输出，的输出，从而实现对物理量的测量。从而实现对物理量的测量。电容式传感器

30、优点：电容式传感器优点：结构简单轻巧易于制造，功结构简单轻巧易于制造，功率小阻抗高灵敏度高；动态特性好，能在高低温率小阻抗高灵敏度高；动态特性好，能在高低温及强辐射的恶劣环境中工作，能进行非接触测量等。及强辐射的恶劣环境中工作，能进行非接触测量等。电容式传感器缺点：电容式传感器缺点：负载能力差，寄生电容影响较大，负载能力差，寄生电容影响较大，输出为非线性等。输出为非线性等。应用：应用：测量位移、压力、液位等物理量。测量位移、压力、液位等物理量。3.4 电容式传感器电容式传感器 一电容式传感器工作原理一电容式传感器工作原理 由物理学可知，两块金属平板作电极组成的电容由物理学可知，两块金属平板作电

31、极组成的电容器，中间用介质（固体、液体或气体）或真空隔开。器，中间用介质（固体、液体或气体）或真空隔开。如不考虑边缘效应，其电容量可用下式表示如不考虑边缘效应，其电容量可用下式表示SC式中 S两极板相互遮盖的面积 两极板间的距离，极距 两极板间介质的介电常数 电容传感器工作原理电容传感器工作原理极板介质sr03.4 电容式传感器电容式传感器 一电容式传感器工作原理一电容式传感器工作原理 参数为参数为、S S、，如果保持其中的两个参数不变，仅改变，如果保持其中的两个参数不变，仅改变第三个参数，则电容量就会发生变化，实际应用时利用电第三个参数，则电容量就会发生变化，实际应用时利用电容量容量C C的

32、变化来进行某些物理量的测量。的变化来进行某些物理量的测量。改变改变S、，反映角位移或线位移的变化，可测量压力、弹，反映角位移或线位移的变化，可测量压力、弹力；力； 改变改变，反映厚度、温度的变化，可制成平板电容传，反映厚度、温度的变化，可制成平板电容传感器。感器。分分 变面积变面积型型 变极距变极距型型类类 变介电常数变介电常数型型3.4 电容式传感器电容式传感器 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 左图为测量线位移的电容左图为测量线位移的电容式传感器，当动板左右移式传感器，当动板左右移动动X后，覆盖面积发生变后，覆盖面积发生变化，电容量也发生了变化。化，电容量也发生了变化。C C与与X是线

33、性关系是线性关系课本课本345（a)是角位移型的电容传感器，是角位移型的电容传感器，C与与之间的关系为线性的之间的关系为线性的0abCd0()(1)xax bxCCdaxCbKxa 3.4 电容式传感器电容式传感器 变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器当极板间的电介质改变时，介当极板间的电介质改变时，介电常数发生了变化，引起电容电常数发生了变化，引起电容量的变化。量的变化。左图：可用来测量物位、液位左图：可用来测量物位、液位或位移。是一密封铅罐中测量或位移。是一密封铅罐中测量液态氮液位高度的原理图。在液态氮液位高度的原理图。在被测介质中放入两个同心圆柱被测介质中放入两个同心圆柱状极

34、板状极板1和和2。若容器内是液体。若容器内是液体介质，液体介质上面是气体介介质，液体介质上面是气体介质，当容器内液面高度变化时，质，当容器内液面高度变化时，则电容量将变化。则电容量将变化。 3.4 电容式传感器电容式传感器 变极距型（变间隙式）电容传感器变极距型（变间隙式）电容传感器一极板固定，一极板与被测对象相连，当活动极板一极板固定，一极板与被测对象相连，当活动极板移动时，极距移动时，极距发生变化，导致发生变化，导致C变化。变化。C与与为非线性关系。为提高灵敏度，要减小极距，为非线性关系。为提高灵敏度，要减小极距，但极距但极距过小，极板易击穿，经常在极板间放置云母、过小，极板易击穿，经常在

35、极板间放置云母、塑料膜等。实际应用时，为提高塑料膜等。实际应用时，为提高K K，减小非线性，采，减小非线性，采用差动形式的结构。用差动形式的结构。3.4 电容式传感器电容式传感器 二电容式传感器的设计要求二电容式传感器的设计要求 （1）减小环境温度、湿度等变化所产生的影响，保证）减小环境温度、湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能。绝缘材料的绝缘性能。（2）消除和减小边缘效应。）消除和减小边缘效应。（3）消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干）消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。注意屏蔽和接地，采用差动形式传感器。扰。注意屏蔽和接地，采用差动形式传感器。3.4 电容式传感

36、器电容式传感器 三电容式传感器的等效电路三电容式传感器的等效电路 RRPLC极板间的等效损耗电阻3.4 电容式传感器电容式传感器 四电容式传感器的测量电路四电容式传感器的测量电路 1、运算放大器式电路、运算放大器式电路:最大特点是能改善非线性最大特点是能改善非线性UCCaAU o3.4 电容式传感器电容式传感器 四电容式传感器的测量电路四电容式传感器的测量电路 2、二极管双、二极管双T电桥电路电桥电路3、差动脉冲调宽电路、差动脉冲调宽电路 （图（图354）3.4 电容式传感器电容式传感器 四电容式传感器的测量电路四电容式传感器的测量电路 4、调频电路、调频电路3.4 电容式传感器电容式传感器

37、四电容式传感器的测量电路四电容式传感器的测量电路 5、电桥电路、电桥电路3.4 电容式传感器电容式传感器 五电容式传感器的应用五电容式传感器的应用 广泛应用于：精确测量广泛应用于：精确测量位移、厚度、角度、振动位移、厚度、角度、振动等机械等机械量，测量量，测量力、压力、差压、流量、成份、液位力、压力、差压、流量、成份、液位等参数等参数在石油、钢铁、电力、化工、造纸等工业生产流程自动在石油、钢铁、电力、化工、造纸等工业生产流程自动控制中的四大重要参数：控制中的四大重要参数：温度、压力、流量、液位温度、压力、流量、液位。3.4 电容式传感器电容式传感器 五电容式传感器的应用五电容式传感器的应用 1

38、、电容式差压传感器、电容式差压传感器 能测微小压差（能测微小压差（00.75Pa帕帕)或真空或真空 构成：两个玻璃圆盘（凹面上镀金，作为固定极板）构成：两个玻璃圆盘（凹面上镀金，作为固定极板） 一个金属膜片一个金属膜片 （不锈钢，作为可动极板）（不锈钢，作为可动极板） 形成两个差动电容形成两个差动电容C1、C2，工作原理：，工作原理： 当当P1P2，C1C2 当当P1P2, d1,C1如何变化？如何变化？d2,C2如何变化？如何变化？增大增大 和减少量相同。和减少量相同。 当当P1P2, C1、C2又如何变化又如何变化? 3.4 电容式传感器电容式传感器 五电容式传感器的应用五电容式传感器的应

39、用 2、电容式振动位移传感器、电容式振动位移传感器 图图360为变面积型电容式位移传感器，用于接触式为变面积型电容式位移传感器，用于接触式测量，电容和位移呈线性关系。测量，电容和位移呈线性关系。 采用差动结构，圆柱形电极，与测杆相连的动电极随采用差动结构，圆柱形电极，与测杆相连的动电极随被测位移而轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极被测位移而轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的覆盖面积，使电容发生变化。之间的覆盖面积，使电容发生变化。 3.4 电容式传感器电容式传感器 五电容式传感器的应用五电容式传感器的应用 3、电容式指纹传感器、电容式指纹传感器 分：分：单触型、划擦型单触型、划擦型两种，通过在触擦过程中电两种，通过在触擦过程中电容的变化来进行信息采集。容的变化来进行信息采集。用途有：指纹检测、信息及认证等。用途有：指纹检测、信息及认证等。工作原理：当指纹中的凸起部分置于传感电容像素工作原理：当指纹中的凸起部分置于传感电容像素电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容来进电极上时，电容会有所增加，通过检测增加的电容来进行数据采集。行数据采集。传感器内有一个用传感器内有一个用弹簧片支撑的质量块，弹簧片支撑的质量块，可以上下活动。可以上下活动。固定电极固定电极1 1与质量块与质量块之间构成电容之间