传感器技术（第三版） 课件 高晓蓉 第3、4章 电容式传感器、电感式传感器

同学们好！第三章电容式传感器1920~1925电容传感器用于测量70~80年代，应用广泛

集成电容传感器CapacitiveSensor第三章电容式传感器§3-1电容式传感器的原理和结构一、基本工作原理Principle&StructureofCapacitiveSensorBasicWorkingPrinciple1、平板电容器FlatCapacitor第三章电容式传感器C——电容量，单位：F法拉——真空介电常数，8.85×10-12F/m——极板间介质的相对介电常数A——极板的有效面积（m2）——两平行极板间的距离（m）2、圆筒形电容器CylindricCapacitor第三章电容式传感器二、变间隙型电容传感器第三章电容式传感器1、基本特性极板上移：讨论：（1）略去高次项第三章电容式传感器（2）考虑二次项2、有介电层的变间隙型电容传感器第三章电容式传感器3、差动式变间隙型电容传感器第三章电容式传感器初始位置时动极板上移第三章电容式传感器提高一倍略去高次项：减小三、变面积型电容传感器中间极移动式变面积型差动结构变面积型板状线位移变面积型角位移变面积型筒状线位移变面积型结构型式线性第三章电容式传感器1、板状线位移变面积型3、筒状线位移变面积型2、角位移变面积型第三章电容式传感器线性线性4、中间极移动式变面积型第三章电容式传感器135、差动结构变面积型①扇形平板结构②柱面型结构第三章电容式传感器四、变介质型电容传感器例3-1:参考文献：“高静电场下的薄膜测厚技术”《仪表技术与传感器》第三章电容式传感器15例3-2电容式液位传感器1、“用MATLAB语言建立液位电容传感器特性的数学模型”，《传感器技术》参考文献：2、“射频电容式传感器的研究与应用”《传感器技术》第三章电容式传感器线性1、电容式传感器的类型？2、如何改善变间隙型电容传感器的线性？3、变面积型电容传感器的特点？第三章电容式传感器4、如何改善变面积型电容传感器间隙

变化的影响？§3-2电容式传感器的测量电路电容式传感器测量电路被测非电量U、I、f电容直放式外差式普通交流电桥耦合电感电桥变压器电桥双T二极管交流电桥交流电桥电路运算放大器式电路调频电路调幅电路调宽电路MeasuringCircuitofCapacitiveSensor第三章电容式传感器一、调频电路振荡回路固有电容引线分布电容传感器电容FrequencyModulatedCircuit第三章电容式传感器被测信号调频信号鉴频信号第三章电容式传感器二、调幅电路（1）普通交流电桥电路1、交流电桥电路普通交流电桥耦合电感电桥变压器电桥双T二极管交流电桥交流电桥电路运算放大器式电路调幅电路AmplitudeModulatedCircuit第三章电容式传感器（2）紧耦合电感电桥第三章电容式传感器耦合系数第三章电容式传感器电路谐振点：（3）变压器电桥第三章电容式传感器第三章电容式传感器回路1回路2节点A第三章电容式传感器差动变间隙型：线性关系（4）双T二极管交流电桥第三章电容式传感器第三章电容式传感器2、运算放大器式电路第三章电容式传感器“变气隙式电容传感器非线性补偿新方法”，《传感器世界》参考文献：第三章电容式传感器变间隙型：线性关系三、脉冲宽度调制电路双稳触发器滤波器PulseWidthModulatedCircuit第三章电容式传感器跳变触发器翻转跳变触发器翻转31第三章电容式传感器32第三章电容式传感器差动变间隙型：差动变面积型：电容式传感器测量电路被测非电量U、I、f电容直放式外差式普通交流电桥耦合电感电桥变压器电桥双T二极管交流电桥交流电桥电路运算放大器式电路调频电路调幅电路调宽电路第三章电容式传感器§3-3电容式传感器的应用C——传感器电容L——电感RP——并联损耗电阻RS——串联损耗电阻CP——寄生电容ApplicationofCapacitiveSensor高温、高湿、高激励一、等效电路EquivalentCircuit第三章电容式传感器二、应用中存在问题保护环减小极板厚度d极板间隙保护环灵敏度降低、非线性增加ProblemsExisting

inApplication1、边缘效应EdgeEffect第三章电容式传感器2、寄生电容消灭寄生电容的影响，是传感器实用化的关键。消灭寄生电容的方法：①驱动电缆法等电位屏蔽法ParasiticCapacitance第三章电容式传感器③采用组合式与集成技术②整体屏蔽法第三章电容式传感器三、应用举例1、电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用“电容式板材在线测厚仪”，《仪表技术与传感》参考文献：ApplicationExamples第三章电容式传感器2、电容式称重传感器误差平均效应参考文献：“电容式称重传感器”，《传感器技术》CapacitiveWeighingSensor第三章电容式传感器3、电容式压力传感器单只变间隙型差动式压差CapacitivePressureSensor第三章电容式传感器4、电容式加速度传感器惯性原理CapacitiveAccelerationSensor第三章电容式传感器灵敏度：

0.35mV/g/V第三章电容式传感器参考文献：“微机械加工硅电容式加速度传感器”《传感器技术》参考文献：“利用电容式加速度传感器测量电梯运动特性”，《仪表技术与传感器》第三章电容式传感器美国PCB公司：370A03加速度传感器数据采集卡：ADLink公司PCI-9118HRLabView开发平台组建虚拟仪器电梯轿厢运行加速度曲线0

510152025301.00.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0第三章电容式传感器5、容栅传感器差动变面积型、误差平均效应精度：10um范围：0~150mm位移第三章电容式传感器数显卡尺数显位移计第三章电容式传感器

差动变间隙型电容传感器，初始电容，初始间隙，设动极板相对于定极板位移了，计算其非线性误差。若改为单极平板电容，初始值不变，非线性误差有多大？设计一个油料液位监测系统。当液位高于H1时，鸣响震铃且红色LED亮，当液位低于H2时，鸣响震铃且黄色LED亮，当液位处于H1和H2之间时，绿色LED亮。教材：pp.97习题13、14第三章电容式传感器49同学们好！50第四章电感式传感器变磁阻式传感器InductanceTransducer自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电感式接近传感器EMAT电磁声传感器51§4-1自感式传感器一、工作原理空气导磁率导磁率H/m第四章电感式传感器总磁阻线圈匝数52二、结构特性1、变气隙式自感传感器第四章电感式传感器（1）衔铁下移动态测量范围：0.001~1mm第四章电感式传感器忽略高次项（2）衔铁上移忽略高次项：542、差动自感传感器第四章电感式传感器忽略高次项提高一倍衔铁下移：553、螺管式自感传感器特点：测量范围大，数百毫米，大量程直线位移，灵敏度低。

4、差动螺管式自感传感器测量范围1~200mm线性度0.1%~1%分辨率<0.01um第四章电感式传感器三、测量电路1、交流电桥式第四章电感式传感器差动自感传感器：57第四章电感式传感器（2）衔铁下移：（1）初始位置：2、变压器式交流电桥58第四章电感式传感器衔铁下移：（3）衔铁上移：593、相敏检波电路第四章电感式传感器③衔铁下移②衔铁上移①衔铁中间位置正半周负半周60四、应用举例1、电感测微仪探头测量电桥交流放大相敏检波指示器振荡器第四章电感式传感器61变气隙式电感测微仪动态测量范围：±1mm分辨率：1um精度：3%第四章电感式传感器62F2、电感压力传感器——变气隙式结构第四章电感式传感器63变气隙式差动压力传感器第四章电感式传感器电感式油压传感器

——液压传动的各种机械装置第四章电感式传感器65例：差动式电感测厚仪教材113页例4-1第四章电感式传感器66§4-2互感式传感器差动变压器第四章电感式传感器当衔铁向下移动时当衔铁向上移动时当衔铁在中间位置时一、结构和工作原理67第四章电感式传感器二、等效电路68第四章电感式传感器（1）衔铁位于中间位置时69第四章电感式传感器（2）当衔铁上移时（3）当衔铁下移时70第四章电感式传感器灵敏度输出阻抗：三、测量电路1、差动整流电路——辨别移动方向——消除零点残存电压第四章电感式传感器正半周负半周电压输出型全波整流电路72第四章电感式传感器①当衔铁在中间位置时②当衔铁向上移动时③当衔铁向下移动时732、相敏检波电路正半周负半周第四章电感式传感器74i1>i2i1i2i4>i3i3i4Ui与Uj同相Ui与Uj反相？第四章电感式传感器分析并画出相敏检波电路在Ui与Uj反相时的波形。Ui、Uj、i1、i2、i3、i4、im课堂练习第四章电感式传感器76第四章电感式传感器变磁阻式传感器InductanceTransducer自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电感式接近传感器EMAT电磁声传感器77§4-3电涡流式传感器电阻率、相对导磁率、厚度线圈与金属导体间的距离金属导体：线圈：大小Eddy–currentsensor线圈激励信号频率一、基本原理BasicPrinciple第四章电感式传感器（2）影响因数：L2、R2、L1、R1、w、M(x)（3）Z、L、Q值都是M(x)平方的函数第四章电感式传感器等效电阻：等效电感：品质因数无涡流影响时的Q值短路环阻抗其中讨论：（1）80二、结构类型1、变间隙型电涡流传感器Kr：相对灵敏度D：被测体直径d：线圈直径Structure&type第四章电感式传感器发射线圈接收线圈812、低频透射式电涡流传感器

——测量金属材料厚度Z：电桥电路L：谐振电路Q：Q值测量电路三、测量电路Measurecircuit第四章电感式传感器无M最大下降有M越小M越厚，发射线圈接收线圈发射线圈接收线圈821、调频式电路Frequencymodulated

circuit第四章电感式传感器2、调幅式电路石英晶体振荡器恒流源：f0、i0Amplitudemodulatedcircuit第四章电感式传感器最大最大无M有M降低降低84例1：测量位移四、应用举例（2）汽轮机主轴的轴向窜动量程：0~30mm分辨率：0.1%（1）液位监控系统ApplicationExample第四章电感式传感器85例2：测量转速例3：测量膜厚第四章电感式传感器齿轮齿数膜厚86例4：测量板材厚度例5：测量温度例6：电涡流探伤——检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、磁导率变化，综合引起传感器参数变化。第四章电感式传感器——温度为t1和t0时的电阻率——电阻温度系数87电涡流方法在输电线损伤检测中的应用输电导线和地线出现裂纹、断股，危及系统安全。钢芯铝绞线的结构：镀锌钢线：磁性材料，负担抗拉力。铝股线：非磁性材料，承载电流传输。输电线路完好对输电系统安全运行极为重要。材质脆变：交变张力、振动引起的弯曲应力、气温变化表面损伤：雷击、电气闪络腐蚀：海滨、工业区用电第四章电感式传感器88检测原理：（a）被测金属物上无缺陷：穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。第四章电感式传感器载有交变电流的线圈产生交变磁场，金属物平面感应出电涡流，产生交变涡流磁场，均在检测线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。89（b）被测金属物上有缺陷：穿过检测线圈的两个线圈的磁通量不相等，检测线圈输出感应电势不为零。“电涡流方法在输电线损伤检测中的应用”，《传感器技术》参考文献第四章电感式传感器90电涡流传感器静态标定方法（实验三）实验一：被测金属板采用铝质板，测量U-x关系曲线。实验二：被测金属板仍采用铝质板，但直径较小，测量

U-x关系曲线。实验三：被测金属板采用铁板，测量U-x关系曲线。StaticCalibration第四章电感式传感器第四章电感式传感器实验一：被测金属板采用铝质板，测量U-x关系曲线。实验二：被测金属板仍采用铝质板，但直径较小，测量

U-x关系曲线。实验三：被测金属板采用铁板，测量U-x关系曲线。92

实验报告：（1）画出（实验一）中的U-x关系曲线，确定传感器的线性工作范围，计算传感器的灵敏度。（2）（实验二）中的输出电压增大说明直径较小的铝质板的电涡流效应大还是小？（3）（实验三）中的输出电压增大说明铁板比铝质板的电涡流效应大还是小？（4）在传感器与金属板之间加入纸、塑料等物，对测量电压输出有无影响？加入金属板后的情况如何？为什么？第四章电感式传感器第四章电感式传感器电涡流阵列传感器ECAEddyCurrentArrayOlympusNDTmanufacturesR/DTechECAprobesforawiderangeofapplications.Probescanbedesignedtodetectaspecifictypeofflawortofollowtheshapeofthepartbeinginspected.Standarddesignsareavailabletodetectdefectssuchascracksandpitting,andsubsurfacedefectslikecracksinmultilayerstructuresaswellascorrosion.

第四章电感式传感器Eddycurrentarrayandconventionaleddycurrenttechnologysharethesamebasicprinciple.Alternatingcurrentinjectedintoacoilcreatesamagneticfield(inblue).Whenthecoilisplacedoveraconductivepart,opposedalternatingcurrents(eddycurrents,inred)aregenerated.Defectsinthepartdisturbthepathoftheeddycurrents(inyellow).Thisdisturbancecanbemeasuredbythecoil.工作原理第四章电感式传感器优点：一次扫查更大面积、扫查路径简化、C扫视图易于识别和缺陷大小定量、适合复杂外形扫查、检测效率提高/en/ndt-tutorials/eca-tutorial/

第四章电感式传感器电涡流阵列传感器ECA和传统电涡流传感器第四章电感式传感器TheOmniScan™ECAtestconfigurationsupports32sensorcoils(upto64withanexternalmultiplexer)workinginbridgeortransmit-receivemode.Theoperatingfrequencyrangesfrom20Hzto6MHzwiththeoptionofusingmultiplefrequenciesinthesameacquisition.测试仪器第四章电感式传感器测试试块第四章电感式传感器测试结果第四章电感式传感器MutualInductanceisavoidedbymultiplexingWheneddycurrentarraydataismultiplexed,theindividualeddycurrentcoilsareexcitedatdifferenttimes,allowingthesystemtoexciteallofthecoilsintheprobewithouteverexcitinganytwoadjacentcoilsatthesametime.第四章电感式传感器Forrivetapplications,theeddycurrentcoilsthatpassoveradefectiverivetgenerateauniquesignalresponse.Forcoilsthatareaffectedbyacrackinitiatingfromtherivethole,anamplitudechangeisrepresentedintheC-Scandisplay.Forcoilsthatdetectnochange,thecolorrepresentationremainsconstantintheC-scandisplay.应用实例-1第四章电感式传感器应用实例-2Corrosiondetectionusingeddycurrentarraytechnologyoffersmajoradvantagesoverconventionaleddycurrentinspectionmethods.Becauseeachindividualeddycurrentcoilgeneratesauniqueelectricalsignalinrelationtothestructurebelowit,thecoilscandetectverysmallchangesinmaterialthickness,alongwithotherparameters,anddisplaythesechangesasacolor-codedC-scanimage.Imagingusingeddycurrentarrayallowseasyinterpretationofthedatageneratedfromtheprobecoils.Afterithasbeencollected,theinspectiondatacanbestored,transmitted,andanalyzed.103同学们好！104第四章电感式传感器InductanceTransducer变磁阻式传感器自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电感式接近传感器EMAT电磁声传感器105电感式接近传感器两种状态：振荡、停振