傳感器(電容、電感、壓電)

1、傳感器測量原理傳感器測量原理3.3 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電兩平行極板組成的電容器容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC0+ A 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。電容的變化。3.3 電容式傳感器電容式傳感器 a)a)極距極距變化型變化型+AC0+dAdC2020SAddCu一般一般變極距型變極距型電容式傳感器的起始電容在電容式傳感器的起始電容在2020 30 pF30 pF之間，極板間距離在之間，極板間距離在2525200m200m的范圍內(nèi)，最大位

2、移應(yīng)小于間距的的范圍內(nèi)，最大位移應(yīng)小于間距的1/101/10，故，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。在微位移測量中應(yīng)用最廣。3.3 電容式傳感器電容式傳感器 u下圖是變極距型差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖下圖是變極距型差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖u當(dāng)差動(dòng)式平板電容器動(dòng)極板位移當(dāng)差動(dòng)式平板電容器動(dòng)極板位移dd時(shí)，電容器時(shí)，電容器C C0 0的的間隙間隙d d1 1變?yōu)樽優(yōu)閐 d0 0-d-d，電容器，電容器C C2 2的間隙的間隙d d2 2變?yōu)樽優(yōu)閐 d0 0+d+d則則 10011CCdd20011CCdd3512000022()2().dddCCCCddd002CdCd非線性誤差非線性誤差 近似

3、為近似為32002 ()100%()100%2()dddddd駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器3.3 電容式傳感器電容式傳感器 b)b)面積變化型面積變化型AC0角位移型角位移型+3.3 電容式傳感器電容式傳感器 平面位移型平面位移型柱面線位移型柱面線位移型. .AC03.3 電容式傳感器電容式傳感器 xbA00dddCbxS0ddC很明顯，這種形式的傳感器其電容量很明顯，這種形式的傳感器其電容量C C與水平位與水平位移移xx是線性關(guān)系，因而其量程不受線性范圍的限是線性關(guān)系，因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測量較大的直線位移和角位移。制，適合于測量較大的直線位移和角位移。c) c) 介質(zhì)變

4、化型介質(zhì)變化型AC03.3 電容式傳感器電容式傳感器 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 u設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為 1 1，液面高度為，液面高度為h h，變換，變換器總高度為器總高度為H H，內(nèi)筒外徑為，內(nèi)筒外徑為d d，外筒內(nèi)徑為，外筒內(nèi)徑為D D，則，則此時(shí)變換器電容值為：此時(shí)變換器電容值為：式中：式中： 空氣介電常數(shù)；空氣介電常數(shù)；C C0 0 由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即：由變換器的基本尺寸決定的初始電容值，即：u可見此變換器的電容增量正比于被測液位高度可見此變換器的電容增量正比于被測液位高度h h。111022()2 ()2()2lnlnlnlnlnhh

5、hHhHCCDDDDDddddd 02lnHCDd測量電路測量電路a)a)電橋電路電橋電路 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 二極管雙二極管雙T T型交流電橋型交流電橋電路工作原理如下：電路工作原理如下：u 當(dāng)當(dāng)e e為正半周時(shí)，二極管為正半周時(shí)，二極管 導(dǎo)通導(dǎo)通、 截止，于是電容截止，于是電容C1C1充電；在充電；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1C1上上的電荷通過電阻的電荷通過電阻R1R1、負(fù)載電阻、負(fù)載電阻RLRL放電，流過放電，流過RLRL的電流為的電流為I1I1。u 在負(fù)半周內(nèi)，在負(fù)半周內(nèi)， 導(dǎo)通、導(dǎo)通、 截止，截止，則電容則電容C2C2充電；在隨后出現(xiàn)正充電；在隨后

6、出現(xiàn)正半周時(shí)，半周時(shí)，C2C2通過電阻通過電阻R2R2，負(fù)載，負(fù)載電阻電阻RLRL放電，流過放電，流過RLRL的電流為的電流為I2I2。u 根據(jù)上面所給的條件，電流根據(jù)上面所給的條件，電流I1= I1= I2I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過流過RLRL的平均電流為零。的平均電流為零。2DV1DV1DV2DV若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0 0，則，則C C1 1CC2 20122(2)(CC )()LLLLiLR RRUI RR U fRRb) b) 調(diào)頻測量電路調(diào)頻測量電路 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 u調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部調(diào)

7、頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。發(fā)生變化。u雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此加入鑒量的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此加入鑒頻器，用此鑒頻器可調(diào)整地非線性特性去補(bǔ)償其他部分的非頻器，用此鑒頻器可調(diào)整地非線性特性去補(bǔ)償其他部分的非線性，并將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)過放大就可以線性，并將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記

8、錄儀記錄下來。用儀器指示或記錄儀記錄下來。12012()fL Cc) c) 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 3.3 電容式傳感器電容式傳感器 u圖中圖中CxCx為電容式傳感器，為電容式傳感器， 是交流電源電壓，是交流電源電壓， 是輸出信號(hào)是輸出信號(hào)電壓，電壓， 是虛地點(diǎn)。由運(yùn)算放大器工作原理可得：是虛地點(diǎn)。由運(yùn)算放大器工作原理可得：u如果傳感器是一只平板電容，則如果傳感器是一只平板電容，則Cx =A/dCx =A/d，代入上式有，代入上式有：u上式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離上式說明運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d d線性關(guān)系線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器。

9、運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。的非線性問題。0ixCUUC 0CiUUdA 電容式傳感器特點(diǎn)：電容式傳感器特點(diǎn)：3.3 電容式傳感器電容式傳感器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1. 1.溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。溫度系數(shù)低的材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。2. 2.結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證高的精度，電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量；可以做

10、得非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測量；3. 3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫茲的此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測量。頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測量。4. 4.靈敏度高靈敏度高可以做得很靈敏，分辨力高，能測量可以做得很靈敏，分辨力高，能測量0.01m 0.01m 甚至更小的甚至更小的位移。位移。電容式傳感器特點(diǎn)：電容式傳感器特點(diǎn)：3.3 電容式傳感器電容式傳感器 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1. 1.輸出阻抗高，負(fù)載能力差輸出阻抗高，負(fù)載能力

11、差電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般只電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般只有幾個(gè)皮法到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其有幾個(gè)皮法到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá) 。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作。穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作。2. 2.寄生電容影響大寄生電容影響大電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其初始電容量都很電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，其初始電容量都很小小(

12、(幾幾pFpF到幾十到幾十pF)pF)，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電，而連接傳感器和電子線路的引線電纜電容容(1 (12m2m導(dǎo)線可達(dá)導(dǎo)線可達(dá)800pF)800pF)、電子線路的雜散電容以及傳感器、電子線路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的“寄生電容寄生電容”卻較大，不僅降低卻較大，不僅降低了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨了傳感器的靈敏度，而且這些電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。機(jī)變化的，將使儀器工作很不穩(wěn)定，影響測量精度。610810傳感器測量原理傳感器測量原理3.4 3.4 電感式傳感器電感

13、式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類: :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型3.4 電感式傳感器電感式傳感器1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式m2RNL 原理原理: :電磁感應(yīng)電磁感應(yīng) 自感式傳感器是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。 按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，目前常用的自感式傳感器有變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種。 00mA2AR2002ANL 忽略第一項(xiàng)傳感器測量原理傳感器

14、測量原理2002ANL 差動(dòng)氣隙型單螺管線圈型單螺管線圈型螺管線圈差動(dòng)螺管線圈差動(dòng) 比較單線圈和差動(dòng)兩種變隙式電感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論： 差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高1倍。 差動(dòng)式的非線性項(xiàng)等于單線圈非線性項(xiàng)乘以( )因子，因?yàn)?，所以差?dòng)式的線性度得到明顯改善。0/ 2 2 自感型自感型- -渦流式渦流式原理原理: :渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)3.4 電感式傳感器電感式傳感器 傳感線圈由高頻電流I1激磁，產(chǎn)生高頻交變磁場H1，當(dāng)被測金屬置于該磁場范圍內(nèi)，金屬導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生渦流I2，I2將產(chǎn)生一個(gè)新磁場H2，H2和H1方向相反，因而抵消部分原磁場H1，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。2

15、2221121222222212222j UMMZRRLLIRLRL原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：)h,(ZZ 3.4 電感式傳感器電感式傳感器 顯然，金屬板厚度尺寸d越大，穿過金屬板L2到達(dá)的磁通2就越小，感應(yīng)電壓u2也相應(yīng)減小。因此，可根據(jù)u2的大小得知被測金屬板的厚度。3.4 電感式傳感器電感式傳感器3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：連續(xù)油管的橢圓度測量案例：連續(xù)油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle3.4 電感式傳感器電感式傳感器案例：無損探傷案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測火車輪檢

16、測油管檢測油管檢測3.4 電感式傳感器電感式傳感器自感式傳感器測量電路自感式傳感器測量電路a)a)電橋電路電橋電路 3.3 電感式傳感器電感式傳感器 這種電路結(jié)構(gòu)簡單，主要用于差動(dòng)式自感型傳感器。圖中L1和L2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)線圈，分別與選頻電容C1和C2并聯(lián)組成相鄰的兩個(gè)橋臂，電阻R1和R2組成另外兩個(gè)橋臂，電源由振蕩器供給，振蕩頻率根據(jù)渦流式傳感器的需求選擇。電橋?qū)⒎磻?yīng)線圈阻抗的變化，線圈阻抗的變化將轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化。b) b) 調(diào)頻測量電路調(diào)頻測量電路 3.3 電感式傳感器電感式傳感器 調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路

17、的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。發(fā)生變化。12012()fL Cc) c) 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 3.3 電感式傳感器電感式傳感器 0ixCUUC Zx為一固定的線圈阻抗，ZL為傳感器線圈電渦流效應(yīng)的等效阻抗；D為測量距離。放大器的反饋電路是由ZL組成，當(dāng)線圈與被測體之間的距離發(fā)生變化時(shí)，ZL變化，反饋放大電路的放大倍數(shù)發(fā)生變化，從而引起運(yùn)算放大器輸出電壓變化，經(jīng)檢波和放大后使測量電路的輸出電壓變化。因此，可以通過輸出電壓的變化來檢測傳感器和被測體之間距離的變化。2 2 互感型互感型-差動(dòng)變壓器差動(dòng)

18、變壓器3.4 電感式傳感器電感式傳感器 當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩次級(jí)線圈的互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有E21=E22，則U2=E21-E22=0，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為0。 當(dāng)鐵芯向右移動(dòng)時(shí)，在右邊二次線圈內(nèi)穿過的磁通比左邊二次線圈多些，所以互感也大些，感應(yīng)電動(dòng)勢E21增加；另一個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢E22隨鐵芯向右偏離中心位置而逐漸減?。环粗?，鐵芯向左移動(dòng)時(shí)，E21減小，E22增加。3.4 電感式傳感器電感式傳感器當(dāng)鐵芯位于中心位置，輸出電壓U2并不是零電位，這個(gè)電壓就是零點(diǎn)殘余電壓Ux 產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因有很多，不外乎是變壓器的制作工藝和導(dǎo)磁體安裝等問題，主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的