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1、二 电容式传感器,第三章 信号的获取,3.2 参数型传感器,二、电容式传感器,1、电容式传感器变换原理 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的 变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身 （或和被测物）就是一个可变电容器。,上式表明，当被测量、A或发生变化时，都会引起电容的变化。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，其中极距变化型和面积变化型应用较广。,2019年10月23日星期三,a)极距变化型,二、电容式传感器,驻极体电容传声器,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后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故
2、名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,二、电容式传感器,b)面积变化型,角位移型,二、电容式传感器,平面线位移型,二、电容式传感器,柱面线位移型.,面积变化型优点是输入输出成线性关系，与极距变化型相比灵敏度较低，适用于较大直线位移或角位移测量。,二、电容式传感器,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,二、电容式传感器,c) 介质变化型,二、电容式传感器,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,二、电容式传感器,电容式接近开关,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，物体和接近开关的介电常数发生变化，
3、使得和测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，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,二、电容式传感器,三、电容式传感器,3 测量电路,a)电桥电路,三、电容式传感器,将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥,b) 谐振电路,三、电容式传感器,c) 直流极化电路（又称静压电容传感器电路） 弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。电容器接于具有直流极化电压E0 的电路中，电容的变化由高阻值电阻R转化为电压变化。,三、电容式传感器,显然，输出电压与膜片位移速度成正比，则可测量气流（或
4、液流）的振动速度，进而得到压力。,d) 调频电路 传感器电容是振荡器谐振回路的一部分，当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的震荡频率发生变化，频率的变化经过鉴频电路变为电压变化，再经过放大后由记录器或显示仪表指示。,三、电容式传感器,e) 运算放大电路 极距变化型电容传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，导致电容传感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放大器电路可得到输出电压与位移量的线性关系。,三、电容式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,四、电感式传感器,差动变压器式电感传感器,四、电感式传感器,1、自感型可变磁阻式
5、 可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈1、铁芯2及衔铁3组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成, 在铁芯和衔铁之间有气隙, 气隙厚度为, 传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时, 气隙厚度发生改变, 引起磁路中磁阻变化, 从而导致电感线圈的电感值变化, 因此只要能测出这种电感量的变化, 就能确定衔铁位移量的大小和方向。,2019年10月23日星期三,四、电感式传感器,1、自感型可变磁阻式,2019年10月23日星期三,根据电感定义, 线圈中电感量可由下式确定:,L= 式中： 线圈总磁通； I通过线圈的电流; 线圈的匝数; 穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律, 得： 式中: Rm磁路总磁阻,四、
6、电感式传感器,1、自感型可变磁阻式,对于变隙式传感器, 因为气隙很小, 所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为 Rm= 式中: 铁芯与衔铁的导磁率; L铁芯与衔铁的导磁长度; A铁芯与衔铁的导磁面积; 0空气的导磁率; A0 气隙导磁横截面积 气隙的宽度,四、电感式传感器,1、自感型可变磁阻式,2019年10月23日星期三,因为 ， 故磁路总磁阻可近似为 Rm 即 上式表明, 当线圈匝数为常数时, 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数, 只要改变或A0均可导致电感变化, 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感
7、传感器。,1 自感型-可变磁阻式,四、电感式传感器,原理:电磁感应,2019年10月23日星期三,1 自感型-可变磁阻式,四、电感式传感器,图48所示是变隙电感式压力传感器的结构图。 它由膜盒、 铁芯、 衔铁及线圈等组成, 衔铁与膜盒的上端连在一起。 当压力进入膜盒时, 膜盒顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动, 从而使气隙发生变化, 流过线圈的电流也发生相应的变化, 电流表指示值就反映了被测压力的大小。,1 自感型-可变磁阻式,四、电感式传感器,2019年10月23日星期三,1 自感型-可变磁阻式,四、电感式传感器,四、电感式传感器,二、自感型 1、可变磁阻式
8、 常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。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。,2019年10月23日星期三,图49所示为变隙式差动电感压力传感器。它由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。 当被测压力进入C形弹簧管时,C形弹簧管产生变形, 其自由端发生位移, 带动与自由端连接成一体的衔铁运动, 使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化,即一个电感量增
9、大,另一个电感量减小。,电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系, 所以只要用检测仪表测量出输出电压, 即可得知被测压力的大小,1 自感型-可变磁阻式,四、电感式传感器,涡电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。,2019年10月23日星期三,2 涡流式,四、电感式传感器,线圈自感量L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。若改变其中的某两项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。 涡电流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量。下图是用涡流式传感器测厚
10、和用涡流式传感器进行零件计数的例子。,2019年10月23日星期三,2 涡流式,四、电感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化：,四、电感式传感器,四、电感式传感器,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,油管检测,四、电感式传感器,2 互感型-差动变压器,四、电感式传感器,1、把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。 2、这种传感器是根据变压器的基本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。 3、差动变压器结构形式较多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。非电量测量中, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以
11、测量1100mm范围内的机械位移, 并具有测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点,互感型电感式传感器是利用互感M 的变化来反映被测量的变化。其实质是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈W 输入稳定交流电压i后，次级线圈W0便会有感应电压e0输出，该电压随被测量的变化而变化。,M比例系数，是互感量，其大小与两线圈的相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表征两线圈之间的耦合程度。,2019年10月23日星期三,2 互感型-差动变压器,四、电感式传感器,互感型传感器常用的是差动变压器式，其结构形式多为螺管形，主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接
12、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e0=e1-e2 。,2019年10月23日星期三,2 互感型-差动变压器,四、电感式传感器,差动变压器式传感器使用要注意的问题： (1)差动变压器式传感器输出的电压是交流量，其输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向； (2)传感器输出电压存在一定的零点残余电压，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零，这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造成的。 解决方法：后接电路应采用既能反应铁芯位移
13、方向，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。 特点：差动变压器式传感器精度可高达0.lm，线圈变化范围可扩大到l00mm，结构简单，稳定性好，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。,2019年10月23日星期三,2 互感型-差动变压器,四、电感式传感器,差动变压器测量电路： 图所示为一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，器输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表指示输入位移量大小和方向。,四、电感式传感器,差动变压器位移传感器,四、电感式传感器,案例：板的
14、厚度测量,四、电感式传感器,案例：张力测量,四、电感式传感器,1、定义： 发电型传感器是将被测物理量转化为电源性 参量，如电势、电荷等。 发电型传感器实际上是一种能量转换元件。 2、分类 磁电型传感器 压电型传感器 热电型传感器 光电型传感器,4.3 发电型传感器,磁电感应式传感器又称磁电式传感器， 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种无源传感器。 由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。,一 磁电式传感器,4.3 发电型传感器,1
15、.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、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。,一 磁电式传感器,4.3 发电型传感器,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,一 磁电式传感器,2.1恒定磁通式 结构：磁路系统 恒定直流磁场 气隙中磁通恒定； 图1 恒磁通磁电式传感器 结构原理图 （a）动圈式;（b）动铁式 原理：线圈与磁场相对运动（动圈式/动铁式）v 感应电动势e 式中，N工作线圈匝数；B0工作气隙中磁感应强度；l0每匝线圈的有效长度。V线圈与磁场的相对运动速度； 线圈运动方向与磁场方向的夹角,原理和结构,一 磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,一 磁电式传感器,角速度型,测速电机,一 磁电式传感器,2.2 变磁通式 1.开磁路变磁通式转速传感器结构：如图（a）所示。,图 变磁通磁电式传感器 1-被测旋转体； 2-测量齿轮； 3-线圈；4-软铁； 5-永久磁铁,原理：磁阻变化 线圈产生感应电动势 输出周期感应脉冲信号 f=Zn/60 式中，Z齿轮的齿数；n转速(r/min)；f感应脉冲信号频率 这种传感器结构简单，但输出信
