第三章电气式传感

1、第三章电气式传感3 电容式传感器电容式传感器 分类分类a) 极距变化型极距变化型b) 面积变化型面积变化型c) 介质变化型介质变化型3 电容式传感器电容式传感器 a) 极距极距变化变化灵敏度灵敏度(sensitivity)+3 电容式传感器电容式传感器 电容式传声器的电路原理电容式传声器的电路原理3 电容式传感器电容式传感器 b) 面积变化面积变化角位移型角位移型灵敏度灵敏度+3 电容式传感器电容式传感器平面线位移型平面线位移型灵敏度灵敏度3 电容式传感器电容式传感器柱面线位移型柱面线位移型灵敏度灵敏度3 电容式传感器电容式传感器 c) 介质变化介质变化3 电容式传感器电容式传感器 电容式液位

2、传感器电容式液位传感器(Capacitive liquid level sensor)（液位计（液位计/料位计）料位计）3 电容式传感器电容式传感器 电容式接近开关电容式接近开关测量头构成电容器的一个极板测量头构成电容器的一个极板(plate)，另一个，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物极板是物体本身，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

3、。绝缘的液体或粉状物体。3 电容式传感器电容式传感器 电容式接近开关工作原理电容式接近开关工作原理 振荡电路振荡电路(oscillatory circuit )被测物体被测物体 感应电极感应电极(Sensing electrodes)被测电容被测电容4 压电式传感器压电式传感器(piezoelectric sensor) 工作原理工作原理:压电效应压电效应(piezoelectric effect)某些电介质（石英，多晶压电陶瓷），当沿着一某些电介质（石英，多晶压电陶瓷），当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；

4、在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变； 4 压电式传感器压电式传感器 逆压电效应逆压电效应(converse piezoelectric effect)（电（电致伸缩效应）致伸缩效应）在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能。形变，将电能转化成机械能。 可以将机械能转化成电能可以将机械能转化成电能 。 可以将电能转化成机械能。可以将电能转化成机械能。压电元件压电元件机械能电能4 压电

5、式传感器压电式传感器 压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路是一个电荷发生器，电容器，电容值是一个电荷发生器，电容器，电容值在极板上积聚的电荷与在极板上积聚的电荷与q与作用力与作用力F成正比成正比D为压电常数，与材料和切片方向有关。为压电常数，与材料和切片方向有关。压电式传感器适宜做动态测量。压电式传感器适宜做动态测量。F+q=DF4 压电式传感器压电式传感器 压电晶片压电晶片(piezoelectric wafer)的接法的接法 并接：两晶片负极集中在中间极板上，正电极在两并接：两晶片负极集中在中间极板上，正电极在两侧的电极上。侧的电极上。并接电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜

6、并接电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场合。于测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场合。 串接：正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板串接：正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板串接法传感器本身电容小，输出电压大，适用于串接法传感器本身电容小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号。以电压作为输出信号。+串联串联+并联并联4 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源，电压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源，电容器上的开路电压容器上的开路电压e0与电荷与电荷q、传感器电容、传感器电容ca存存在下列关系在下列关系e0= q/ ca。 当

7、压电式传感器接入测量电路，联接电缆的寄生当压电式传感器接入测量电路，联接电缆的寄生电容就形成传感器的并联电容电容就形成传感器的并联电容Cc。 后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄漏电阻泄漏电阻R0。 为防止漏电造成电荷损失，通常要求为防止漏电造成电荷损失，通常要求R0l011欧欧姆，因此传感器可近似为开路。姆，因此传感器可近似为开路。4 压电式传感器压电式传感器 测量电路测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器(prea

8、mplifier)中，经过阻抗变换后，方可输中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。入到后续显示仪表中。前置放大器的主要作用前置放大器的主要作用将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出放大传感器输出的微弱电信号。放大传感器输出的微弱电信号。 4 压电式传感器压电式传感器 前置放大器电路有两种形式前置放大器电路有两种形式用电阻反馈用电阻反馈(Resistor feedback)的电压放大器的电压放大器(Voltage Amplifier)，其输出电压与输入电压，其输出电压与输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比。成正比。电路简单、价格便宜电路简单、价

9、格便宜电缆分布电容对传感器测量稍度影响很大电缆分布电容对传感器测量稍度影响很大带电容反馈的电荷放大器带电容反馈的电荷放大器(Charge Amplifier)，其输出电压与输入电荷成正比。其输出电压与输入电荷成正比。电路较复杂电路较复杂电缆长度变化的影响几乎可以忽略不计电缆长度变化的影响几乎可以忽略不计4 压电式传感器压电式传感器 电荷放大器电荷放大器电荷放大器输出电压电荷放大器输出电压u0与传感器电荷量与传感器电荷量q成正成正比，比，Cf为电荷放大器反馈电容。为电荷放大器反馈电容。传感器传感器电缆电缆电荷放大器电荷放大器4 压电式传感器压电式传感器 加速度计加速度计(acceleromete

10、r)4 压电式传感器压电式传感器 案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析4 压电式传感器压电式传感器 实测情况实测情况4 压电式传感器压电式传感器 模态分析结果模态分析结果5 磁电式传感器磁电式传感器(Magnetic sensors) 变换原理变换原理磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势电动势(induced electromotive force)的一种的一种转换器。转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势磁通变化率磁通变化率(Flux rate of change)与磁场强度与磁场强度(Magnetic field strength

11、)、磁阻、磁阻(reluctance)、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。改变感应电动势。 5 磁电式传感器磁电式传感器 磁电式传感器分类磁电式传感器分类动圈式动圈式(moving coil)线速度型线速度型角速度型角速度型磁阻式磁阻式(reluctance)N5 磁电式传感器磁电式传感器 动圈式传感器动圈式传感器 线速度型线速度型可动线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的可动线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感应电动势感应电动势W线圈匝数线圈匝数(Coil turns)B磁感应强度磁感应强度(magnetic induction)

12、l单匝线圈有效长度单匝线圈有效长度v线圈与磁场相对运动速度线圈与磁场相对运动速度-运动方向与磁场夹角运动方向与磁场夹角地震式速度计地震式速度计5 磁电式传感器磁电式传感器 角速度型角速度型线圈在磁场中转动时产生的感应电动势与线圈线圈在磁场中转动时产生的感应电动势与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器用于转相对磁场的角速度成正比，这种传感器用于转速测量速测量(Speed Measurement)。测速电机测速电机5 磁电式传感器磁电式传感器 磁阻式传感器磁阻式传感器 线圈与磁铁不动，由运动着的物体线圈与磁铁不动，由运动着的物体(导磁材料导磁材料)改变磁路的磁阻，引起磁力线增强或减弱，使改变磁路

13、的磁阻，引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。线圈产生感应电动势。传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度选择传感器主要考虑灵敏度(sensitivity)、响应、响应特性特性(response characteristic)、线性范围、线性范围(linear range)、稳定性、稳定性(stability)、精确度、精确度(accuracy)、测量方式、测量方式(measurement mode)等等方面的问题。方面的问题。 1、灵敏度、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。灵敏度时，要考虑以

14、下几个问题。灵敏度过高引起的干扰问题：传感器的信噪比愈大灵敏度过高引起的干扰问题：传感器的信噪比愈大愈好愈好量程范围：传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大量程范围：传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大 被测量是二维或三维的向量：交叉灵敏度问题被测量是二维或三维的向量：交叉灵敏度问题传感器选用原则传感器选用原则 2 响应特性响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。但总希望延迟的时间越短越好。 物性型传感

15、器物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等如利用光电效应、压电效应等传感器传感器)响应时间短，工作频率宽。响应时间短，工作频率宽。结构型传感器（如电感、电容、磁电等传感结构型传感器（如电感、电容、磁电等传感器），由于受到结构特性的影响、机械系统惯器），由于受到结构特性的影响、机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。窄。传感器选用原则传感器选用原则 3 线性范围线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。任何传感器都有一定线性工作范围。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是

16、保证测量精度的传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。基本条件。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。似线性区域。变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。初始间隙附近。 传感器选用原则传感器选用原则 4 稳定性稳定性 表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。根据环境条件选择传感器。根据环境条件选择传感器。电阻应变式传感器，变极距型电容式传器电阻应变式传感器，变极距型电容式传器在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的校准的情况下，应对传感器