电感电容压电传感器lpj

1,电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。,电感式传感器分类,第二节电感式传感器,优点：灵敏度高（能测0.1m的位移）、线性较好（非线性误差0.1%）、输出功率大等。,缺点：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低,2,一、自感式传感器,分变气隙式、变面积式、螺旋管式三类见图4-4,线圈自感量L为：,(4-14),3,由于很小，可认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为,线圈自感量L为：,(4-14),亨/米,4,这种传感器适用于较小位移的测量，测量范围约在0.0011mm左右。,传感器灵敏度：,(4-16),(4-17),5,2、变面积式,3、螺管式,特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便，因而应用较为广泛。,原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致线圈的电感量发生变化，,原理：衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。,特点：灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好，同时还具备自由行程可任意安排，制造装配方便等，其应用比较广泛。,6,以上三种类型的自感式传感器在实际应用时，一般由两单一结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构除了可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。,差动式电感传感器(a)变间隙型(b)变面积型(c)螺管型1线圈2铁芯3衔铁4到杆,7,二、差动变压器式传感器,差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数M的变化。传感器本身是互感系数可变的变压器。因为它是基于互感变化的原理，故也称为互感式传感器。,输出电压Eout=EW1-EW2，当铁芯在中央位置时，EW1=EW2。,8,9,差动变压器位移传感器,10,案例：板的厚度测量,11,案例：张力测量,12,三、电涡流式传感器,原理:将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电，这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应。,使原线圈的等效阻抗Z发生变化,13,原线圈的等效阻抗Z变化：,金属板的电阻率,金属板的磁导率,线圈与金属板的距离,线圈激励角频率,14,15,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,油管检测,16,第三节电容式传感器,原理：将被测量的变化转化为电容量变化。,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,(4-18),r相对介电常数，空气的相对介电常数r=1,真空的介电常数0=8.8510-12F/m,介电常数=r0,17,相对介电常数,18,1.极距变化型,灵敏度,(4-19),19,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,最大的应小于极板间距的1/51/10。因此极距变化型电容传感器的量程范围在0.01um数百um。为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式。灵敏度可提高一倍。,20,2.面积变化型,在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移型两种。图为直线位移型。当动极板沿x方向移动时，动、静极板覆盖面积发生变化，电容量也随之变化。,其电容量,(4-20),输入与输出成线性关系,(4-21),21,角位移型,(a)平面线位移型(c)圆柱体线位移型(b)角位移型,22,角位移型,覆盖面积,(4-22),所以，电容量,(4-23),(4-24),23,面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。,柱面线位移型.,电容量,24,3.介电常数变化型,这种类型的传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。,25,两圆筒间为空气介质的电容为：,如果电极的一部分被非导电性液体所浸没时，则会有电容量的增量C产生,图4-10液位测量示意图,真空的介电常数0=8.8510-12F/m,介电常数2=r20,(4-25),(4-26),26,如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此时两极间的电容量为：,电容传感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电路，调频电路，运算放大器电路等。,电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等,影响测量精度的主要因素：电路寄生电容、电缆电容和温度、湿度等外界干扰。以往减小这些干扰的措施成本很高，但随着集成电路技术的发展和工艺的进步，已使上述因素的影响大为减小，为电容传感器的应用开辟了广阔的前景。,27,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,28,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,29,30,第四节压电式传感器,一、压电效应,某些材料（如石英），当沿着一定方向受到外力作用时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。,二、压电材料及其特性常用的压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和新型压电材料。,31,1、压电单晶,压电单晶为单晶体，各向异性。主要有石英（Si02）、铌酸锂（LiNb03）等,石英晶体有天然与人工之分，是压电单晶体中最具代表性的。石英晶体呈六角棱柱体。有光轴（中性轴）、电轴和机械轴。,32,纵向压电效应沿x轴受力产生的压电效应；横向压电效应沿y轴受力产生的压电效应；切向压电效应沿切向受力产生的压电效应,从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力的作用时，其电荷分布在垂直于x轴的平面上。,33,由纵向压电效应产生的电荷量q为：,纵向压电常数,石英晶体：压电常数比较低，d11=2.3110-12C/N良好的机械强度和时间及温度稳定性。适用于精确度和稳定度要求特别高的场合。,铌酸锂晶体：是人工拉制晶体。居里点高（12000C)，适用于做高温传感器；缺点：质地脆，抗冲击性差，价格较贵,2、压电陶瓷,压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体。如钛酸钡、锆钛酸钡。,压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏度高，价格低廉，居里点较低,34,3、新型压电材料,（1）有机压电薄膜某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成具有压电特性的薄膜。如聚偏氟乙烯（PVF2)、聚氟乙烯（PVF)等。特点：柔软，不易破碎，面积大等。可制成大面积阵列传感器和机器人触觉传感器。,（2）压电半导体有些材料，如硫化锌（ZnS)、氧化锌（ZnO)、硫化钙(CaS)、砷化镓（GaAs)等，既具有半导体特性，又有压电特性。因此，既可利用压电性能制作敏感器件，又可利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器。,35,三、等效电路,因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为,压电材料的介电常数,压电晶片的厚度,压电元件可等效为一个具有一定电容的电荷源。电容器上的开路电压U0为,36,并联：适于测缓变信号和以电荷为输出量的场合,当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成传感器的并联寄生电容Cc，传感器中的漏电阻和后继电路的输入阻抗形成泄漏电阻R0，等效电路为：,由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。,压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往是两片或多片进行串联或并联。,串联：适于测高频信号和以电压为输出量的场合,37,四、测量电路,输出电荷量很小，且压电元件本身的内阻很大,压电式传感器,高输入阻抗,可采用比例放大器。电路简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响,目前常用,38,压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾振器大多采用压电式传感器。,39,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,40,案例：热轧设备诊断,41,*1一电容传感器，其圆形极板r=5mm。工作初始间隙0=0.3mm，问：1)工作时如果传感器的工作间隙变化=2m，则电容变化量是多少?2)如果测量电路灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表灵敏度S2=5格/mV，在=2m时，读数仪表的指示值变化多少格(0=8.8510-12F/m)?,*2用结构参数为长L=100mm，宽b=20mm，间隙=2mm的线位移电容传感器，测量位移量x=40m的变化，试求：1)电容变化量是多少?2)若测量电路灵敏度S1=100mV/pF，光线示波器灵敏度S2=5格/mV，则在记录纸上的指示值是多少格?,题4.8图直线位移式,42,*3某工厂采用图4.35所示的电容传感器来测量储液罐中的绝缘液体的液位。已知，内圆管的外径为10mm，外圆管的内径为20mm，高度h=3m。被测介质为油，其相对介电常数r=2.3，测得