电容式电感式传感器ppt课件

6电感式传感器,电感式传感器的工作原理：它是利用电磁感应原理，通过线圈自感或互感的变化，实现非电量的电测。用途及特点：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。优点：具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广缺点：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。分类：按工作原理分为自感式（可变磁阻式）、互感式（差动变压器式）、电涡流式三种。,6.1自感型传感器,自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。原理图如下图。它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙。（可变磁阻式）,一、工作原理（可变磁阻式）根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，产生磁通，其大小与电流成正比，即：式中，W线圈匝数;L线圈电感，单位为亨H根据磁路欧姆定律，磁通m为：式中iW磁势，ARm磁阻，H-1于是得到：,如果空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为：式中：l导磁体(铁芯)的总长度(m)；铁芯导磁率(H/m)；A铁芯导磁横截面积(m2)，Sab;空气隙长度(m);0空气导磁率；A0空气隙导磁横截面积(m2)。,因为0，则:因此，自感L可写为：上式表明，自感L与气隙成反比，而与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0不变，变化时（称为变气隙式自感传感器），L与呈非线性（双曲线）关系，如图所示。,将上式对求导，得变气隙式传感器的灵敏度为可见：灵敏度S与气隙长度的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定在较小的范围内工作一般取。当气隙的增量时，灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。在实际应用中，一般取，这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011mm。,若将变气隙式自感传感器的气隙厚度保持不变，使气隙导磁截面积A随被测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。如图,A,A=ab,将式对A0求导，得其灵敏度S为：即变面积式自感传感器输出特性呈线性，因此测量范围大。但与变气隙式相比，其灵敏度S较低。欲提高灵敏度，初始气隙厚度不能过大，但同样受工艺和结构的限制，的选取与变气隙式相同。,螺管式自感传感器其结构原理如图所示，它由螺管、线圈、衔铁等组成，随着衔铁插入的深度的不同引起线圈电感量发生变化。螺管式自感传感器又分单螺管式和双螺管差动式两种,单螺管线圈型,螺管式自感传感器与前两种传感器相比，具有以下特点：结构简单，制造装配容易；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低，但线性范围大；由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。,差动式自感传感器上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，衔铁上始终作用有电磁吸力，影响测量准确度；而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰的影响，因此不适合精密测量。为了克服上述缺点，所以现在大都采用差动式。,变气隙差动式自感传感器,差动变气隙式传感器的结构原理如图（a）所示。它由两个完全相同的电感线圈W1和W2组成，在两个铁芯中间有一个公用衔铁。衔铁处在中间位置时，1=2=0，两边气隙相等，电感量L1=L2=L0，由于采用差动连接方法，传感器总的电感量为L=L1L2=0，所以传感器输出电压(总的自感电动势)为零，见图（b）。当衔铁偏离中间位置时，两边气隙的大小改变使12，若位移使L1线圈的电感从中间位置时的L0增大为（L0+L1），L2线圈的电感减小为（L0L2）。则总的电感为L=L1L2=（L0+L1）（L0L2）=L1+L2若衔铁位移很小，则L1=L2=L，故L2L单。,可见，当衔铁位置左右移动时，可使两个线圈的间隙按变化，一个线圈自感增加，一个线圈自感减少。又如果将两线圈接于电桥的相邻桥臂，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。下图是双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。,差动式自感传感器的优点:由于采用差动式结构，可以改善系统的非线性、提高灵敏度对电源电压、电源频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用作用在衔铁上的电磁力，由于是两个线圈磁通产生的电磁力之差，所以对电磁吸力有一定的补偿作用，从而提高了测量的准确性。,6.2互感（差动变压器）式传感器,互感型电感传感器是利用互感的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如下图所示,差动变压器式传感器的原理：传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。所以输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2，ey=0；,当活动衔铁向上移时，即e1e2，ey0;当活动衔铁向下移时，即e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如上图所示。值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；,其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。,下图所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。,6.3涡流式传感器,涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。涡电流效应：如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若改变其中的某项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化来测量该参数。,研究涡流式传感器的模型，可以得出以下结论：金属导体上形成的涡流有一定的范围，当线圈与导体间的距离不变时，电涡流密度随着线圈外径的大小而变化。为了充分的利用涡流效应，被测导体的平面不应小于传感器线圈外径R的2倍，否则灵敏度将下降。涡流强度随着线圈与导体间距离的增大而迅速减小，由此可知，涡流强度与距离呈非线性关系。为了获得较好的线性和较高的灵敏度，应使/RL）,当衔铁向相反方向移动相等距离，L1=L0+L1、L2=L0-L2，有：由此可知：（1）电桥输出电压与两线圈电感变化量之和成正比；（2）衔铁沿相反方向移动相同距离时，输出电压大小相等，相位相反，即输出电压的极性反映了传感器衔铁运动的方向。但交流信号要判别极性，需要专门的判别电路（相敏检波电路）。,(二)交流电桥的调幅作用,被测量经过传感器变换后,得到的是变化缓慢的微小信号，不能直接推动指示仪表和记录仪器，需要进行放大。如果用直流放大器放大，则存在漂移和级间耦合衰减的问题，有一定难度，为此通常是把缓变微小信号先变成频率适当的交流信号，然后用交流放大器再进行放大。,调制：利用缓变信号（低频）控制高频振荡信号，使其随着缓变信号的变化规律而变化的过程高频振荡信号称为载波，控制高频信号的缓变信号称为调制信号，经过调制的信号称为调波解调：把调制成的交流信号还原成缓变信号的过程叫解调。设载波的表示式为：式中，uc-载波电压的瞬时值Uc-载波电压的振幅c-载波电压的角频率c-载波电压的初相角,用调制信号控制载波的幅值Uc,使其随着调制信号的变化规律而变化的过程称为调幅。调制以后得到的信号称为调幅信号。用调制信号控制载波的角频率c的过程称为调频。用调制信号控制载波的初相角c的过程称为调相。为分析方便，忽略初相角，则：若调制信号为：,经过调幅后，载波的振幅已不是常值，而是时间的函数，调幅信号的表示式为：式中的m称为调幅系数。调幅信号的波形如图所示。将上式展开得：上式表明调幅信号包含三个频率分量，其频率分别为c、（c+s）、（c-s）,其频谱如图所示。,产生调幅信号的器件称为调幅器，它实质上是一个乘法器。交流电桥就是测试电路中常用的调幅器。若以高频振荡信号作为供桥电源，电桥输出即为调幅波,（三）幅值调制信号的解调,最常见的解调方法有整流检波和相敏检波。在测试技术中常使用相敏检波电路。相敏检波电路的形式很多，过去常采用半导体二极管或三极管等分立元件实现，现在一般采用集成电路来实现，比如LZX1，是一种全集成化的全波相敏整流放大器。它能把输入的交流信号全波整流为直流信号，并具有鉴别输入信号的相位等功能。相敏检波电路输出的信号包含着被测信号和载波。一般还需要在其后电路中加入低通滤波器。,电感式传感器的应用,一、位移的测量位移测量还包括与位移相关的膨胀、伸长、尺寸变化等。,电感式接近传感器（金属）,连续油管的椭圆度测量,裂纹检测，原理：缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,差动变压器位移传感器,案例：板的厚度测量,二、力、压力的测量自感和互感式电感传感器可进行力、压力、压力差的测量。,案例：张力测量,练习题,1.差动变压器式传感器属于a.物性型传感器b.结构型传感器c.电阻式传感器d.电感式传感器2.某自感式传感器线圈的匝数为n，磁路的磁阻为Rm，则其自感为a.n/Rmb.n2/Rmc.Rm/nd.n2/Rm23.为什么电感式传感器一般都采用差动形式？,4.电涡流式传感器有两种:高频反射式和低频透射式,它们的工作原理()a.相同b.不同c.部分相同d.不能确定5.电感式传感器包括()a.自感式b.互感式c.包括ab和dd.涡流式,7电容式传感器,电容式传感器是将被测量（压力、尺寸等）的变化转换成电容量的变化。实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。7.1.1工作原理与特性以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为：,式中0真空的介电常数，(0=8.85410-12F/m）；A极板的遮盖面积（m2)；极板间介质的相对介电系数，在空气中，=1；两平行极板间的距离（m）,上式表明，当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为：极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，三种形式的电容器应用都很广。,7.1.2极距变化型电容传感器,极距变化型电容式传感器的结构原理见下图。根据上式，如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化为,由此可得到传感器的灵敏度为从上式可看出，灵敏度S与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距呈非线性关系，故这将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围。一般取极距变化范围为，另外一般我们让此时，传感器的灵敏度近似为常数,实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。7.1.3面积变化型电容式传感器改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。下图为典型的角位移型电容式传感器。当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为,电容量为：其灵敏度：,线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种。对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容量为由于平板型传感器的可动极板沿极距方向稍有移动就会影响测量精度，因此，一般情况下，变面积型电容式传感器常做成圆柱形。,对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为式中x外圆筒与内圆筒覆盖部分长度，m；r1、r2外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径，m。其灵敏度为：,由上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但缺点是与极板变化型电容式传感器相比，灵敏度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量。,7.1.4介质变化型电容传感器,变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量、浓度改变而改变来测量温度、湿度、容量、浓度(图d)等。,7.2电容式传感器的测量电路,将电容量转换成电量(电压或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路，它们的种类很多，目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路及运算放大电路、脉冲宽度调制电路等一、电桥电路,如图为桥式转换电路。图(a)为单臂接法的桥式测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，Cx为电容传感器。交流电桥平衡时：C1/C2=Cx/C3当Cx改变时，UO0，有输出电压。在图(b)中，接有差动电容传感器，其空载输出电压可用下式表示：Uo=（Cx1-Cx2）/（Cx1+Cx2）（U/2）=（C/C0）（U/2）,式中C0传感器的初始电容值；C传感器电容的变化值。该线路的输出还应经过相敏检波电路才能分辨UO的相位。实际的电桥电路应该如下图示：,二、调频电路这种电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，使振荡器的频率f发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容式传感器的电容调制，这样就实现了Cf的变换，故称为调频电路。下图为LC振荡器调频电路方框图。调频振荡器的频率可由下式决定：f=1/（2LC）,式中L振荡回路电感；C振荡回路总电容。振荡器输出的高频电压是一个受被测量控制的调频波，频率的变化在鉴频器中变换为电压幅度的变化，经过放大器放大后就可用仪表来指示。,限幅器,鉴频器,放大器,调频振荡器,三、谐振电路下图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路(L2、C2、Cx)的调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。,这种电路的优点是比较灵活；缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求振荡器的频率具有很高的稳定性。,四、脉冲宽度调制电路（PWM电路）脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而改变，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。脉冲宽度调制电路如图所示,五、运算放大电路变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如图所示,反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为：代入得：由上式可知，输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。,7.3电容式传感器的特点与应用,1.主要优点1）输入能量小而灵敏度高如一种250mm量程电容式位移传感器，精度可达到5m2）电参量相对变化大。比如电容式压力传感器的电容相对变化：C/C100%-200%传感器信噪比大，稳定性好3）动态特性好4）能量损耗小5）结构简单，适应性好。,2.主要缺点1）非线性大，特别是极距变化型。所以一般可采用差动式结构来改善采用比例运算放大电路。2）电缆分布电容影响大，导致测量误差解决办法：利用集成电路采用双屏蔽传输电缆,3.应用举例电容式声传感器,本质：极距变化型电容式传感器,驻极体电容传声