第4章-传感器原理2

1、4.3 4.3 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: :AC+ 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。第四章第四章 传感器测量原理传感器测量原理与测量电路测量电路4.3 电容式传感器电容式传感器 +1.1. 变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器4.3 电容式传感器电容式传感器 当当动极板在被测参量作用下发生位移，使间隙动极板在被测参量作用下发生位移，使间隙 减小减小了了，则，则1)1 (CSCC1)1 (C

2、C1 321CC电容的相对变化量为：电容的相对变化量为：当当 时时4.3 电容式传感器电容式传感器 n C/CC/C与与之间是非线性关系之间是非线性关系CC2SCCKn 略去高次项时，可得近似线性关系为：略去高次项时，可得近似线性关系为：n灵敏度为：灵敏度为：n灵敏度灵敏度K K与初始间隙与初始间隙 的平方成反比，间隙越小，灵的平方成反比，间隙越小，灵敏度越高。但间隙敏度越高。但间隙 的减小受极板间击穿电压的限制。的减小受极板间击穿电压的限制。由于由于 很小，且很小，且 所以所以 也应很小，因此，变间也应很小，因此，变间隙式电容传感器适用于小间隙、小变化量的位移测量。隙式电容传感器适用于小间隙

3、、小变化量的位移测量。14.3 电容式传感器电容式传感器 差动电容结构是在两块定极板之间放一块动极板差动电容结构是在两块定极板之间放一块动极板:111)1 (CSCCC122)1 (CSCCC差动结构差动结构-提高电容传感器的灵敏度、提高电容传感器的灵敏度、 减小非线性减小非线性 53212CCCC 21242CC222SCCK4.3 电容式传感器电容式传感器 4.3 电容式传感器电容式传感器 2 2 面积变化型面积变化型1 1）角位移型）角位移型+当动板移动 后，两极板间的电容为：2222rCrC22rC22rCknk为常数，角位移式传感器的电容与角位移成线性关系。则4.3 电容式传感器电容

4、式传感器 2 2）平面线位移型）平面线位移型4.3 电容式传感器电容式传感器 当动板移动当动板移动 x x后，两极板间的电容：后，两极板间的电容：xbbaxabC)(xbCbxCKk k为常数，线位移式传感器的电容与线位移成线性关系。为常数，线位移式传感器的电容与线位移成线性关系。4.3 电容式传感器电容式传感器 3 3）柱面线位移型）柱面线位移型. .4.3 电容式传感器电容式传感器 产品产品. .陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。 4.3 电容式传感器电容式传感器 4.3 电容式传感器电容式传

5、感器 3 3 介质变化型介质变化型4.3 电容式传感器电容式传感器 电容式液位计 在被测介质中放入两个同心圆柱状电极，容器内介质的介电常数为 ，空气的介电常数为 ，当容器中液面高度发生变化时，两电极间的电容也发生变化。两电极间的总电容C等于介质为空气部分的电容与介质为液体部分的电容之和，即xRRRRhC1221122ln)(2ln2n 输出电容与液面高度x呈线性关系。124.3 电容式传感器电容式传感器 产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）4.3 电容式传感器电容式传感器 二二. . 测量电路测量电路1. 1. 阻容交流电桥阻容交流电桥 右图是阻

6、容交流电桥系统右图是阻容交流电桥系统方图。图中电桥部分方图。图中电桥部分C C1 1和和C C2 2是是差动电容传感器的两个电容，差动电容传感器的两个电容，电桥另两个桥臂接入相同的固电桥另两个桥臂接入相同的固定电阻定电阻R R0 0电容式传感器在被测参量的作用下电容发生变化，但还需电容式传感器在被测参量的作用下电容发生变化，但还需通过测量电路将电容变化转化为电压或电流的变化。通过测量电路将电容变化转化为电压或电流的变化。4.3 电容式传感器电容式传感器 电桥中电桥中C C1 1和和C C2 2是差动电容传感是差动电容传感器的两个电容，该桥臂的阻抗器的两个电容，该桥臂的阻抗111CjZ221Cj

7、Z2121211222CCCCUZZZZUUscSC12UUscSC2电桥的输出电压为：差动电容传感器当动极板位移差动电容传感器当动极板位移时时2. 2. 变压器式电桥变压器式电桥3. 3. 双双T T电桥电桥2122CCUfRRRRRRUfffsc4.3 电容式传感器电容式传感器 输入能量小，灵敏度高。输入能量小，灵敏度高。 动态特性好。动态特性好。 能量损失小。能量损失小。 结构简单，适应性好。结构简单，适应性好。 非线性较大。非线性较大。 电缆电容影响大。电缆电容影响大。 解决方法：解决方法：采用双层屏蔽电缆。采用双层屏蔽电缆。采用小型采用小型集成电路，放在传感器内部，即传感器与测量电集

8、成电路，放在传感器内部，即传感器与测量电路一体化。路一体化。三三. . 电容式传感器的特点：电容式传感器的特点：4.3 电容式传感器电容式传感器 4.4 4.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测非把被测非电量转换为线圈电感的变化。电量转换为线圈电感的变化。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第四章第四章 传感器测量原理传感器测量原理与测量电路测量电路工作原理 当衔铁子在被测参量带动下移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化，把电感的变化通过测量电路转换为电压

9、或电流的变化。根据所测电压或电流的变化过程确定被测量的变化。4.4 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4.4 电感式传感器电感式传感器可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型202NSL原理原理: :电磁感应电磁感应变气隙型电感传感器：变气隙型电感传感器：LL提高灵敏度和线性化的方法：提高灵敏度和线性化的方法： a)a)限制衔铁的位移变换量限制衔铁的位移变换量 b)b)采用差动结构采用差动结构灵敏度灵敏度2022SNLLK电感变化量电感变化量4.4 电感式传感器电感式传感器差动自感传感器差动自感传感器v把两个相同的简单电感传感器组把两个相同的简单电感传感器组合在

10、一起而共用一个衔铁构成差合在一起而共用一个衔铁构成差动式电感传感器。动式电感传感器。v当衔铁处于中间位置时，上下两当衔铁处于中间位置时，上下两个线圈的电感量相等。个线圈的电感量相等。v若衔铁被带动向上移动若衔铁被带动向上移动距离时，距离时，使上、下线圈的电感量分别增大使上、下线圈的电感量分别增大和减小和减小 L L。4.4 电感式传感器电感式传感器4.4 电感式传感器电感式传感器差动自感传感器差动自感传感器LLLLLLLL2)(1 ()(1 (212221v有效地消除了偶次项对非线性的影响，同时提高有效地消除了偶次项对非线性的影响，同时提高 灵敏度灵敏度4.4 电感式传感器电感式传感器测量电路

11、与输出特性测量电路与输出特性 v电感传感器的测量电路常采用电桥电路；v电桥由交流电压U供电；v电桥的两臂Z1和Z2为传感器中两个线圈的阻抗，另两臂各为电源变压器次级线圈的一半。ULRLUsc222电桥对角线上A、B两点的电位差为输出电压Usc：4.4 电感式传感器电感式传感器2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEout4.4 电感式传感器电感式传感器v当衔铁向上移动时，次级线圈的互感当衔铁向上移动时，次级线圈的互感M M1 1增大，互感增大，互感M M2 2 减小，则线圈内感应电势减小，则线圈内感应电势e e2121 e e

12、2222，当衔铁向下移，当衔铁向下移动时，则感应电势动时，则感应电势e e2121 e e2222 。因此，只要衔铁偏离。因此，只要衔铁偏离中心位置，中心位置，e e2 2 0 0，即有输出电压产生，而输出电压，即有输出电压产生，而输出电压的幅值大小与衔铁位移量成正比。因输出的是交流的幅值大小与衔铁位移量成正比。因输出的是交流电，只有接入相敏检波电路后，才能从直流输出电电，只有接入相敏检波电路后，才能从直流输出电压的幅值和相位判断衔铁位移大小和方向。压的幅值和相位判断衔铁位移大小和方向。 v当衔铁在两线圈中心位置时，两线圈的感应电势当衔铁在两线圈中心位置时，两线圈的感应电势相等，即相等，即e

13、e2121= = e e2222 ，因两线圈是反向串接，此时的，因两线圈是反向串接，此时的输出电压为输出电压为e e2 2= = e e2121- - e e2222 =0 =0。4.4 电感式传感器电感式传感器等效电路：等效电路： 输出电势有效值输出电势有效值：121212)(2ELRME输出电势的大小与互感的变化量输出电势的大小与互感的变化量 M M 成正比。成正比。 4.4 电感式传感器电感式传感器差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器4.4 电感式传感器电感式传感器3 3 涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应 把一个线圈放到一块金属导体附近，当线圈通过交流电流I1时，在线圈的周

14、围会产生交变磁场H1，使置于交变磁场中的金属导体中感应出交变电流I2，此电流也产生交变磁场H2，而交变磁场H2和线圈产生的磁场H1方向相反。由于磁场H2的反作用，使原来线圈的阻抗发生变化，线圈阻抗变化的大小与金属导体的电导率，磁导率，厚度h，线圈激励电流I和角频率以及线圈与金属导体之间的距离d等参数有关。4.4 电感式传感器电感式传感器n电涡流产生的磁场与线圈产生的磁场相电涡流产生的磁场与线圈产生的磁场相反，引起线圈阻抗的变化。反，引起线圈阻抗的变化。),(dIhfZ电导率、磁导率、厚度、线圈激励电流、角频率、距离位移传感器：除距离外，位移传感器：除距离外，其余因素均确定不变其余因素均确定不变4.4 电感式传感器电感式传感器等效电路等效电路 电涡流传感器的等效电路如图。图中R1和L1为线圈的电阻和电感， R2和L2为金属导体的电阻和电感，U为线圈激励电压，M为线圈与导体中涡流回路的互感系数。线圈的等效电感为：22222221LRMLLL4.4 电感式传感器电感式传感器产品：产品：4.4 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