模块3 电感式及电容式传感器

模块3电感式及电容式传感器本模块学习的主要内容：1、差动变压器式传感器2、电涡流式传感器3、电容式传感器单元1差动变压器式传感器电感式传感器是利用线圈的自感、互感或阻抗的变化来实现非电量检测的一种装置。差动变压器式传感器是一种电感式传感器，它是根据互感的变化来感知被检测量的。

一、电感式传感器简述

自感式－把被测位移量转换为线圈的自感变化电感式传感器电涡流式－把被测位移量转换为线圈的阻抗变化互感式－把被测位移量转换为线圈间的互感变化差动变压器传感器产品TD－1油动机行程阀位位移传感器交流差动变压器式角位移传感器

GA系列差动变压器位移传感器二、差动变压器式传感器的工作原理1．结构：可分间隙式和螺管式两种

差动变压器的结构示意图图中：1－一次绕组2、3－二次绕组4－衔铁以螺管式为例2．工作原理

差动变压器等效电路把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线圈互感系数的变化，图中M1、M2与位移x有关。当位移x很小时：Uo=k|x|

（无法判别位移方向）差动变压器原理动画演示差动变压器输出特性

1－理想特性2－实际特性

问题：①零点残余电压E0②超过一定范围为非线性减小零残电压的方法：①提高对称性；②减少电源谐波成分；③使衔铁工作在磁化线性区；④线圈上并联容阻移相网络；⑤采用相敏检波或差动整流电路产生零残电压的主要原因：①结构不对称；②存在寄生参数；③电源有高次谐波；④磁路的磁化曲线非线性。三、差动变压器式传感器的基本特性1．灵敏度2．线性范围线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右，只有中间部分线性较好。为了获得高的灵敏度，尽量提高励磁电压，电源频率以400Hz到10kHz为佳。灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。四、差动变压器式传感器的测量转换电路差动相敏检波电路差动整流电路常用测量转换电路全波电流输出型电流输出型电压输出型差动整流电路半波电流输出型全波电压输出型半波电压输出型差动变压器对测量转换电路的要求为：①判别衔铁位移方向及大小；②消除零点残余电压。以全波电流输出型差动整流电路为例说明其工作原理：（1）铁芯在中心位置时：（u21=u22）

Uac=Uda可调节R1=R2使ImA=I1－I2=0全波电流输出型差动整流电路mAcabdR1R2●●●●●●●●●若u21≠u22

则Uac≠Uda

调节RP有R1≠R2

使ImA=I1－I2=0I1I2消除了零点残余电压（2）铁芯上移（u21>u22）：

Uac>Uda

则ImA=I1－I2>0（3）铁芯下移(u21<u22)：

Uac<Uda

则ImA=I1－I2<0

判别了位移方向和大小半波电流输出型差动整流电路同理可得。半波电流输出型差动整流电路结论：可消除零点残余电压，可判别了位移方向和大小。电压输出差动整流电路全波电压输出型差动整流电路及后续电路钢板厚度的测量五、差动变压器式传感器的应用案例1.差动变压器式压力变送器1－接头2－膜盒3－导线4－印刷线路板5－差分线圈6－衔铁7－电源变压器8－罩壳9－指示灯10－安装座11－底座YST－1型差动压力变送器结构示意图YST－1型差动压力变送器线路原理图变压整流滤波多谐振荡器差动变压器差动整流电路输出显示YST－1型差动压力变送器线路原理框图差动变压器式压力变送器的另外两种结构图（a）弹簧管式（b）波纹膜片式2.电感式位移检测在滚珠直径自动分选机的应用1-气缸；2-活塞；3-推杆；4-被测滚珠；5-落料管；6-电感测微仪；7-钨钢侧头；8-限位挡板；9-电磁翻板；10-滚珠的公差分布；11-落料箱；12气源处理三联件（1）轴承滚珠直径自动分选的要求

①滚柱的标称直径为10.000mm，允许公差范围为±3μm，超出公差范围均予以剔除。②在公差范围内，滚柱的直径从9.997～10.003mm，分为A～G共7个等级，分别落入对应的7个料箱中。③滚柱的分选速度为60个／min，分选结果在LCD屏上显示。（2）轴承滚珠直径自动分选的基本工作原理

①滚柱的推动与定位②气缸的控制③轴承滚珠直径自动检测④落料箱翻板的控制单元2电涡流式传感器电涡流式传感器的特点：可以实现非接触测量；灵敏度高、抗干扰能力强；频率响应宽、体积小等。

——电涡流在我们日常生活中应用干净、高效的电磁炉电涡流探雷器一、基本工作原理

电涡流线圈与金属板的距离x减小↓电涡流线圈的等效电感L

减小、等效电阻R

增大XL的变化比R的变化大得多流过电涡流线圈的电流i1

增大。↓↓电涡流效应动画演示等效电路图原理示意图电涡流传感器原理示意图及等效电路图

i→Φi→ie

→Φe→原线圈L变化当传感器与被测导体靠近时，传感器的等效阻抗Z将发生变化，可表示为：可用函数式表示如下：电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理图二、结构与测量转换电路

电涡流探头外形交变磁场1．电涡流式传感器的结构电涡流探头内部结构

1－线圈2－线圈管架3－壳体

4－输出电缆5－接插件6－瓷罩

CZF－1系列传感器的性能分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？型号线性范围/µm线圈外径/mm分辨力/µm线性误差(％)使用温度/℃CZF1-10001000Ф71<3-15~+80CZF1-30003000Ф153<3-15~+80CZF1-50005000Ф285<3-15~+80调频式转换电路原理框图2．测量转换电路并联谐振回路的谐振频率设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f

。

调频法的特点是受温度、电源电压等外界因素的影响较小。（1）应用场合定量测量：金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。定性测量：开关、报警等。

三、电涡流式传感器的应用

1．位移测量（2）几种实例4~20mA电涡流位移传感器外形图（3）传感器外形V系列电涡流位移传感器外形图V系列电涡流位移传感器性能一览表

（摘自洞头开关厂资料）

（4）四线制电涡流位移传感器的接线说明2、振幅测量偏心和振动检测汽轮机叶片测试3．转速测量转速测量类型1－传感器2－被测体转速n（单位为r/min）的计算公式为电涡流传感器转速测量动画演示齿轮转速测量示意图【例】下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n

。用于ABS系统的速度传感器车轮转速传感器剖视图1-电缆；2-永磁体；3-外壳；4-感应线圈；5-极轴；6-齿圈4．电涡流探伤手持式裂纹测量仪油管探伤用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹电涡流传感器探伤检测动画演示5．厚度测量测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度－输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。电涡流涂层厚度仪电涡流传感器测量厚度动画演示

该测厚仪与前面镀层测厚有何区别？

6．其它应用电涡流传感器计数动画演示电涡流传感器轴心轨迹测量动画演示单元3电容式传感器电容传感器液位计一、基本工作原理及结构形式电容传感器的理想公式为

d——极板间距离；

A——极板面积；ε——电容极板间介质的介电常数。改变d、A、

三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C

改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。电容传感器声波测量动画演示几种不同电容式传感器的原理结构图

（其中如b、d、f为差动电容传感器）1．变极距式电容传感器变极距式电容传感器原理动画演示变极距式电容传感器结构及特性曲线

（a）结构示意图1－定极板2－动极板（b）电容量与极板距离的关系2．变面积式电容传感器变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。xθa))/1()/1(00pqpqee-=-==CdSCdSCx3．变介电常数式电容传感器变介电常数电容式传感器原理动画演示经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：其中A、B均为与结构和介质有关的常数三种电容式传感器比较表类型变间隙变面积变介电常数应用场合线位移角位移或较大线位移物位、湿度、密度是否线性非线性关系。灵敏度也不是常数。线性关系

线性关系

1．变压器电桥电路二、测量转换电路缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能辨别位移方向。对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：

优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系

转化为位移与输出电压的线性关系。可得：2．调频电路CC调频振荡器的振荡频率电容传感器调频电路方框图3．脉冲宽度调制电路经分析推导得：脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：①消除了非线性；②不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；③电路只采用直流电源，不需要频率发生器；④频率对输出无影响；⑤对输出矩形波纯度要求不高。公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。1．压力测量电容式压力传感器结构图三、电容式传感器的应用高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器外形图电容式差压变送器内部结构图

1－高压侧进气口

2－低压侧进气口

3－过滤片

4－空腔

5－柔性不锈钢波纹隔离膜片

6－导压硅油

7－凹形玻璃圆片

8－镀金凹形电极

9－弹性平膜片

10－

腔各种电容式差压

变送器外形图利用电容差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=

gh投入式电容水位计外形图家用电器压力检测示意图2．加速度测量电容传感器加速度测量动画演示电容式加速度传感器1－绝缘体2－固体电极3－质量块（动电极）4－弹簧片硅微加工加速度传感器结构图

1-加速度测试单元；2-信号处理电路；3-衬底；

4-底层多晶硅（下电极）；5-多晶硅悬臂梁；6-顶层多晶硅（上电极）

硅微加工电容加速度传感器实物图微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g

量程：10g

频率范围：0.5-2000Hz安装谐振点:8kHz

分辨力：0.00004g

重量：200g

安装螺纹：M5mm

线性误差：≤1%加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置电容料位测量示意图1－极棒2－容器壁3．料位和液位测量AM90系列电容物位仪

聚四氟乙烯外套液位计设定按钮电容式油量表原理图

4．转速测量电容传感器转速测量动画演示5．1151电容式智能压力变送器1151电容式智能压力变送器外形图（1）主要技术性能（2）压力（差压）变送器的耐腐蚀和防爆①耐腐蚀：供用户选择的不同接触介质的材料，以满足用户需要。②防爆：选择隔爆型（GB3836.2-83），其防爆等级为dⅡBT4和本安型（GB3836.4-83），其防爆等级为iaⅡCT6两种来满足用户要求。①测量范围：0～0.12kPa，0～41.37kPa；量程比为l：15（智能型），l：6（普通型）；②测量精度：±0.1％（