bP电感电容压电传感器学习教案

1、1 电感式传感器是基于(jy)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(fn li)第二节 电感式传感器 优点(yudin)：灵敏度高（能测m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，分辨率越低自感式自感式互感式互感式可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式第1页/共43页第一页，共44页。2一、一、 自感自感(z n)(z n)式式传感器传感器1 1、变气隙式、变气隙式 变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上,衔铁和铁心间有一气隙。线圈铁芯衔铁分变气隙式、变面积分变气隙式、变面积(min j)(min j)

2、式、螺旋管式三类式、螺旋管式三类 见图见图4-44-4线圈自感量L为：mRNL2线圈匝数磁路总磁阻(4-14)第2页/共43页第二页，共44页。3 由于很小，可认为气隙磁场是均匀(jnyn)的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为线圈铁芯衔铁线圈自感量L为：mRNL2线圈匝数磁路总磁阻(4-14)铁芯导磁长度铁芯磁导率铁芯截面积空气磁导率气隙长度气隙截面积(4-15)亨/米70104第3页/共43页第三页，共44页。4这种传感器适用(shyng)于较小位移 的 测 量 ， 测 量 范 围 约 在0.0011mm左右。002ARm由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略2002ANL dANdL2002

3、2 传感器灵敏度：(4-16)(4-17)第4页/共43页第四页，共44页。52 2 、变面积(min j)(min j)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(fngbin)，因而应用较为广泛。铁芯线圈衔铁 原理：气隙长度不变，铁心(ti xn)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，铁芯线圈 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

4、，其应用比较广泛。第5页/共43页第五页，共44页。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(guchng)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(min j)型 (c) 螺管型 1线圈 2 铁芯 3 衔铁 4 到杆(a)(a)(b)(b)(c)(c)第6页/共43页第六页，共44页。7二、差动变压器式传感器二、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(hgn)系数 M 的变化。传感器本身

5、是互感(hgn)系数可变的变压器。因为它是基于互感(hgn)变化的原理，故也称为互感(hgn)式传感器。EwEoutEW1EW2WW1W2Esx-x输出电压(diny)Eout=EW1-EW2(diny)Eout=EW1-EW2，当铁芯在中央位置时，EW1=EW2 EW1=EW2 。第7页/共43页第七页，共44页。8单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型传感器测量电路传感器测量电路第8页/共43页第八页，共44页。9差动变压器位移差动变压器位移(wiy)(wiy)传感器传感器第9页/共43页第九页，共44页。10案例案例(n l)(n l)：板的厚度

6、测量：板的厚度测量 第10页/共43页第十页，共44页。11案例案例(n l)(n l)：张力测量：张力测量第11页/共43页第十一页，共44页。12三、电涡流三、电涡流(wli)(wli)式式传感器传感器原理原理: :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，称为电涡流行闭合，称为电涡流(wli)(wli)效应。效应。高频交变高频交变电流电流线圈线圈交变磁通交变磁通电涡流电涡流交变磁通交变磁通1使原线圈的等效使原线圈的等效(dn xio)(dn xio)阻抗阻抗 Z Z 发发生变

7、化生变化第12页/共43页第十二页，共44页。13原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗(zkng)Z(zkng)Z变化：变化：金属板的电阻金属板的电阻率率金属板的磁导金属板的磁导率率线圈线圈(xinqun)(xinqun)与与金属板的距离金属板的距离线圈线圈(xinqun)(xinqun)激激励角频率励角频率第13页/共43页第十三页，共44页。14第14页/共43页第十四页，共44页。15案例案例(n l)(n l)：无损探伤：无损探伤原理裂纹检测(jin c)，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测第15页/共43页第十五页，共44页。16第三节第三节 电容式传感器电容式传感器 原理：将被测量原

8、理：将被测量(cling)(cling)的变化转化为电容量变化。的变化转化为电容量变化。两平行极板两平行极板(j bn)(j bn)组成组成的电容器的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: : +A 介电常数介电常数两 极 板 相两 极 板 相互 覆 盖 的互 覆 盖 的面积面积极板间的距离极板间的距离极距变化型极距变化型 面积变化型面积变化型 介电常数变化型介电常数变化型 电容式传感器的三电容式传感器的三种类型：种类型：(4-18) r 相对介电常数(ji din chn sh) ，空气的相对介电常数(ji din chn sh) r=1真空的介电常数 0=8.8510-12 F/m介电常数

9、 = r 0 第16页/共43页第十六页，共44页。17相对(xingdu)介电常数 第17页/共43页第十七页，共44页。181.1.极距变化极距变化(binhu)(binhu)型型+21AddCK灵敏度(4-19)第18页/共43页第十八页，共44页。19驻极体电容驻极体电容(dinrng)(dinrng)传声器传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材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料经特殊电处理(chl)(chl)后，表面永久地驻有极化后，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

10、体积小、性能优越、使用方便。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(yngyng)中常常采用差动的形式。灵敏度可提高一倍。第19页/共43页第十九页，共44页。202.2.面积面积(min j)(min j)变化型变化型 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(j bn)沿x方向移动时，动、静极板(j bn)覆盖面积发生变化，电容量也随之变化。xbbxC 其电容量bdxdCK灵敏度= =常数常数(4-20)输入(s

11、hr)与输出成线性关系(4-21)第20页/共43页第二十页，共44页。21+角位移型角位移型r r(a) 平面(pngmin)线位移型 (c) 圆柱体线位移型 (b) 角位移型 第21页/共43页第二十一页，共44页。22角位移型角位移型+2222rrA覆盖面积(4-22)+r r所以，电容量22rC 灵敏度 22rddCK=常数(4-23)(4-24)第22页/共43页第二十二页，共44页。23 面积变化(binhu)型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。柱面线位移柱面线位移(wiy)(wiy)型型. .电容量灵敏度 =常数)/ln(2rRdxdCK第23页/共43页第二十三页，

12、共44页。243. 3. 介电常数介电常数(ji (ji din chn sh)din chn sh)变变化型化型这种类型的传感器可用来测量液体的液位和材料这种类型的传感器可用来测量液体的液位和材料(cilio)(cilio)的厚度等。的厚度等。第24页/共43页第二十四页，共44页。25两圆筒间为空气(kngq)(kngq)介质的电容为：空气的介电常数电极长度内电极外半径外电极内半径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 C产生)ln()(212rRlC液体的介电常数液体浸没长度图4-10液位测量(cling)示意图真空(zhnkng)(zhnkng)的介电常数 0=8

13、.850=8.8510-12 F/m10-12 F/m介电常数 2 = r2 0 (4-25)(4-26)第25页/共43页第二十五页，共44页。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(fgi)(fgi)作为中间介质，而作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此时两极间的电容量为：液体和外圆筒一起作为外电极。此时两极间的电容量为：中间介质的介电常数绝缘覆盖层外半径液体浸没长度，即电极长度 电容传感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电路，调频电容传感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电路，调频(dio p

14、n)(dio pn)电路，运算放大器电路等。电路，运算放大器电路等。 电容电容(dinrng)(dinrng)传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等传感器的优点：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。第26页/共43页第二十六页，共44页。27产品产品(chnpn).(chnpn).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）第27页/共43页第二十七页，共44页

15、。28电容式接近电容式接近(jijn)开开关关振荡电路振荡电路被测物体被测物体感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物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，使得关的介电常数发生变化，使得(sh de)(sh de)和测量头和测量头相连的电路状态也随之发生变化相连的电路状态也随之发生变化. .接近开关的检测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物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。或粉状物体。第28页/共43页第二十八页

16、，共44页。29第29页/共43页第二十九页，共44页。30第四节第四节 压电式传感器压电式传感器一、压电效应一、压电效应(y din xio (y din xio yng)yng) 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(r qi)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(cilio)及其特性 常用的压电材料(cilio)大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和新型压电材料(cil

17、io)。压力压力 压电材料压电材料 产生电荷产生电荷 第30页/共43页第三十页，共44页。31 1、 压电单晶 压电单晶为单晶体，各向异性。主要(zhyo)有石英（Si02）、铌酸锂（LiNb03）等 石英晶体有天然与人工(rngng)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。 光轴z纵轴线，沿该轴方向无压电效应。光轴 电轴x通过六角棱柱的棱而垂直于光轴的轴。在垂直于此轴的平面上压电效应最强。电轴 机械轴y垂直于棱面的y轴，在电场作用下，沿该轴的机械变形最明显。机械轴 第31页/共43页第三十一页，共44页。32zxyFxFx+-zxyFyFy

18、 + -zxyFyFy - + 纵向压电效应沿x轴受力产生(chnshng)的压电效应；横向压电效应沿y轴受力产生(chnshng)的压电效应；切向压电效应沿切向受力产生(chnshng)的压电效应 从晶体上沿各轴线(zhu xin)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。第32页/共43页第三十二页，共44页。33 由纵向压电效应产生的电荷量q为：Fdq11作用力纵向(zn xin)压电常数 石英晶体：压电常数比较低，10-12C/N 良好的机械强度和时间及温度(wnd)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(rngng)拉制晶体

19、。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，居里点较低第33页/共43页第三十三页，共44页。34 3、新型(xnxng)压电材料 （1）有机压电薄膜 某些合成(hchng)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

20、(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(qjin)，又可利用半导体特性制成电路器件(qjin)，研制成新型集成压电传感器。第34页/共43页第三十四页，共44页。35 三、等效电路蒸镀金属形成电极晶片两表面相当于电容器的两个极板F + + + + + + + + - - - - - - - 两极板之间的压电材料等效于电介质因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为ACa极板面积压电材料(cilio)(cilio)的介电常数压电晶片的厚度(hud)(hud)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aC

21、qU 0压电元件上所产生的电荷量第35页/共43页第三十五页，共44页。36+并联(bnglin)：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(dinz)和后继电路的输入阻抗形成泄漏电阻(dinz)R0，等效电路为：R0CcqCa 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件(yunjin)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。

22、串联：适于测高频信号和以电压为输出量的场合第36页/共43页第三十六页，共44页。37四、测量四、测量(cling)(cling)电路电路 输出(shch)(shch)电荷量很小，且压电元件本身的内阻很大压电式传压电式传感器感器高输入阻抗(sh r z (sh r z kn)kn)前置前置放大器放大器输出电压或电荷电压电压放大器放大器电荷电荷放大器放大器可采用比例放大器。电路简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响目前常用U Uy yU Ui i传感器电容电缆电容放大器输入电容电荷放大器：高增益带电容反馈的运算放大器第37页/共43页第三十七页，共44页。38如果电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压为fyCqU可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与电缆电容无关。 压电式传感器动态(dngti)(dngti)特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态(dngti)(dngti)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。第38页/共43页第三十八页，共44页。39产品产品(chnpn)压力变送器压力变送器加速度计力传感器 第39页/共43页第三十九页，共44页。40案例：热轧设备案例：热轧设备(shbi)诊断诊断第40页/共43页第四十页