传感器(电容、电感、压电)课件

1、传感器测量原理传感器测量原理3.3 3.3 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC0+ A 、A A或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。3.3 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0+dAdC2020SAddCu一般一般变极距型变极距型电容式传感器的起始电容在电容式传感器的起始电容在2020 30 pF30 pF之间，极板间距离在之间，极板间距离在2525200m200m的范围内，最大位

2、移应小于间距的的范围内，最大位移应小于间距的1/101/10，故，故在微位移测量中应用最广。在微位移测量中应用最广。3.3 电容式传感器电容式传感器 u下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图u当差动式平板电容器动极板位移当差动式平板电容器动极板位移dd时，电容器时，电容器C C0 0的的间隙间隙d d1 1变为变为d d0 0-d-d，电容器，电容器C C2 2的间隙的间隙d d2 2变为变为d d0 0+d+d则则 10011CCdd20011CCdd3512000022()2().dddCCCCddd002CdCd非线性误差非线性误差 近似

3、为近似为32002 ()100%()100%2()dddddd驻极体电容传声器驻极体电容传声器3.3 电容式传感器电容式传感器 b)b)面积变化型面积变化型AC0角位移型角位移型+3.3 电容式传感器电容式传感器 平面位移型平面位移型柱面线位移型柱面线位移型. .AC03.3 电容式传感器电容式传感器 xbA00dddCbxS0ddC很明显，这种形式的传感器其电容量很明显，这种形式的传感器其电容量C C与水平位与水平位移移xx是线性关系，因而其量程不受线性范围的限是线性关系，因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。制，适合于测量较大的直线位移和角位移。c) c) 介质变

4、化型介质变化型AC03.3 电容式传感器电容式传感器 3.3 电容式传感器电容式传感器 u设被测介质的介电常数为设被测介质的介电常数为 1 1，液面高度为，液面高度为h h，变换，变换器总高度为器总高度为H H，内筒外径为，内筒外径为d d，外筒内径为，外筒内径为D D，则，则此时变换器电容值为：此时变换器电容值为：式中：式中： 空气介电常数；空气介电常数；C C0 0 由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即：由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即：u可见此变换器的电容增量正比于被测液位高度可见此变换器的电容增量正比于被测液位高度h h。111022()2 ()2()2lnlnlnlnlnhh

5、hHhHCCDDDDDddddd 02lnHCDd测量电路测量电路a)a)电桥电路电桥电路 3.3 电容式传感器电容式传感器 二极管双二极管双T T型交流电桥型交流电桥电路工作原理如下：电路工作原理如下：u 当当e e为正半周时，二极管为正半周时，二极管 导通导通、 截止，于是电容截止，于是电容C1C1充电；在充电；在随后负半周出现时，电容随后负半周出现时，电容C1C1上上的电荷通过电阻的电荷通过电阻R1R1、负载电阻、负载电阻RLRL放电，流过放电，流过RLRL的电流为的电流为I1I1。u 在负半周内，在负半周内， 导通、导通、 截止，截止，则电容则电容C2C2充电；在随后出现正充电；在随后

6、出现正半周时，半周时，C2C2通过电阻通过电阻R2R2，负载，负载电阻电阻RLRL放电，流过放电，流过RLRL的电流为的电流为I2I2。u 根据上面所给的条件，电流根据上面所给的条件，电流I1= I1= I2I2，且方向相反，在一个周期内，且方向相反，在一个周期内流过流过RLRL的平均电流为零。的平均电流为零。2DV1DV1DV2DV若传感器输入不为若传感器输入不为0 0，则，则C C1 1CC2 20122(2)(CC )()LLLLiLR RRUI RR U fRRb) b) 调频测量电路调频测量电路 3.3 电容式传感器电容式传感器 u调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部调

7、频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。发生变化。u虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此加入鉴量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此加入鉴频器，用此鉴频器可调整地非线性特性去补偿其他部分的非频器，用此鉴频器可调整地非线性特性去补偿其他部分的非线性，并将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就可以线性，并将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记

8、录仪记录下来。用仪器指示或记录仪记录下来。12012()fL Cc) c) 运算放大器电路运算放大器电路 3.3 电容式传感器电容式传感器 u图中图中CxCx为电容式传感器，为电容式传感器， 是交流电源电压，是交流电源电压， 是输出信号是输出信号电压，电压， 是虚地点。由运算放大器工作原理可得：是虚地点。由运算放大器工作原理可得：u如果传感器是一只平板电容，则如果传感器是一只平板电容，则Cx =A/dCx =A/d，代入上式有，代入上式有：u上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d d线性关系线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器。

9、运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。的非线性问题。0ixCUUC 0CiUUdA 电容式传感器特点：电容式传感器特点：3.3 电容式传感器电容式传感器 优点：优点：1. 1.温度稳定性好温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。2. 2.结构简单结构简单电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；可以做

10、得非常小巧，以实现某些特殊的测量；3. 3.动态响应好动态响应好由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态测量。频率下工作，特别适用于动态测量。4. 4.灵敏度高灵敏度高可以做得很灵敏，分辨力高，能测量可以做得很灵敏，分辨力高，能测量0.01m 0.01m 甚至更小的甚至更小的位移。位移。电容式传感器特点：电容式传感器特点：3.3 电容式传感器电容式传感器 缺点：缺点：1. 1.输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力

11、差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般只电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般只有几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其有几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达 。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作。稳定现象，严重时甚至无法工作。2. 2.寄生电容影响大寄生电容影响大电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其初始电容量都很电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其初始电容量都很小小(

12、(几几pFpF到几十到几十pF)pF)，而连接传感器和电子线路的引线电缆电，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容容(1 (12m2m导线可达导线可达800pF)800pF)、电子线路的杂散电容以及传感器、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的内极板与其周围导体构成的“寄生电容寄生电容”却较大，不仅降低却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。610810传感器测量原理传感器测量原理3.4 3.4 电感式传感器电感

13、式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型3.4 电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式m2RNL 原理原理: :电磁感应电磁感应 自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变截面积式和螺线管式三种。 00mA2AR2002ANL 忽略第一项传感器测量原理传感器

14、测量原理2002ANL 差动气隙型单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动 比较单线圈和差动两种变隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论： 差动式比单线圈式的灵敏度高1倍。 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以( )因子，因为，所以差动式的线性度得到明显改善。0/ 2 2 自感型自感型- -涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应3.4 电感式传感器电感式传感器 传感线圈由高频电流I1激磁，产生高频交变磁场H1，当被测金属置于该磁场范围内，金属导体内便产生涡流I2，I2将产生一个新磁场H2，H2和H1方向相反，因而抵消部分原磁场H1，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。2

15、2221121222222212222j UMMZRRLLIRLRL原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：)h,(ZZ 3.4 电感式传感器电感式传感器 显然，金属板厚度尺寸d越大，穿过金属板L2到达的磁通2就越小，感应电压u2也相应减小。因此，可根据u2的大小得知被测金属板的厚度。3.4 电感式传感器电感式传感器3.4 电感式传感器电感式传感器案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle3.4 电感式传感器电感式传感器案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检

16、测油管检测油管检测3.4 电感式传感器电感式传感器自感式传感器测量电路自感式传感器测量电路a)a)电桥电路电桥电路 3.3 电感式传感器电感式传感器 这种电路结构简单，主要用于差动式自感型传感器。图中L1和L2为差动式传感器的两个线圈，分别与选频电容C1和C2并联组成相邻的两个桥臂，电阻R1和R2组成另外两个桥臂，电源由振荡器供给，振荡频率根据涡流式传感器的需求选择。电桥将反应线圈阻抗的变化，线圈阻抗的变化将转换成电压幅值的变化。b) b) 调频测量电路调频测量电路 3.3 电感式传感器电感式传感器 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路

17、的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。发生变化。12012()fL Cc) c) 运算放大器电路运算放大器电路 3.3 电感式传感器电感式传感器 0ixCUUC Zx为一固定的线圈阻抗，ZL为传感器线圈电涡流效应的等效阻抗；D为测量距离。放大器的反馈电路是由ZL组成，当线圈与被测体之间的距离发生变化时，ZL变化，反馈放大电路的放大倍数发生变化，从而引起运算放大器输出电压变化，经检波和放大后使测量电路的输出电压变化。因此，可以通过输出电压的变化来检测传感器和被测体之间距离的变化。2 2 互感型互感型-差动变压器差动

18、变压器3.4 电感式传感器电感式传感器 当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两次级线圈的互感系数M1=M2。根据电磁感应原理，将有E21=E22，则U2=E21-E22=0，即差动变压器输出电压为0。 当铁芯向右移动时，在右边二次线圈内穿过的磁通比左边二次线圈多些，所以互感也大些，感应电动势E21增加；另一个线圈的感应电动势E22随铁芯向右偏离中心位置而逐渐减小；反之，铁芯向左移动时，E21减小，E22增加。3.4 电感式传感器电感式传感器当铁芯位于中心位置，输出电压U2并不是零电位，这个电压就是零点残余电压Ux 产生零点残余电压的原因有很多，不外乎是变压器的制作工艺和导磁体安装等问题，主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的