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1、传感器测量原理 3.3 电容式传感器 变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电 容器,它的电容量为: + + + A 、A或发生变 化时，都会引起 电容的变化。 3.3 电容式传感器 a)极距变化型 + + + + + + u一般变极距型电容式传感器的起始电容在 20 30 pF之间，极板间距离在25200m 的范围内，最大位移应小于间距的1/10，故 在微位移测量中应用最广。 3.3 电容式传感器 u下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图 u当差动式平板电容器动极板位移d时，电容器C0的 间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d则 非线性误差近似为 驻
2、极体电容传声器 3.3 电容式传感器 b)面积变化型 角位移型 + + + 3.3 电容式传感器 平面位移型 柱面线位移型. 3.3 电容式传感器 很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移 x是线性关系，因而其量程不受线性范围的限制 ，适合于测量较大的直线位移和角位移。 c) 介质变化型 3.3 电容式传感器 3.3 电容式传感器 u设被测介质的介电常数为1，液面高度为h，变换 器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，则 此时变换器电容值为： 式中： 空气介电常数； C0 由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即： u可见此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 测量电路 a)电桥电路 3
3、.3 电容式传感器 二极管双T型交流电桥 电路工作原理如下： u 当e为正半周时，二极管 导通 、 截止，于是电容C1充电；在 随后负半周出现时，电容C1上 的电荷通过电阻R1、负载电阻 RL放电，流过RL的电流为I1。 u 在负半周内， 导通、 截止， 则电容C2充电；在随后出现正 半周时，C2通过电阻R2，负载 电阻RL放电，流过RL的电流为 I2。 u 根据上面所给的条件，电流I1= I2，且方向相反，在一个周期内 流过RL的平均电流为零。 若传感器输入不为0，则C1C2 b) 调频测量电路 3.3 电容式传感器 u调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部 分。当输入量导致电容
4、量发生变化时，振荡器的振荡频率就 发生变化。 u虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电 量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此加入鉴 频器，用此鉴频器可调整地非线性特性去补偿其他部分的非 线性，并将频率的变化转换为振幅的变化，经过放大就可以 用仪器指示或记录仪记录下来。 c) 运算放大器电路 3.3 电容式传感器 u图中Cx为电容式传感器， 是交流电源电压， 是输出信号 电压，是虚地点。由运算放大器工作原理可得： u如果传感器是一只平板电容，则Cx =A/d，代入上式有： u上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d线性关系 。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感
5、器 的非线性问题。 电容式传感器特点： 3.3 电容式传感器 优点： 1.温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择 温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微 。 2.结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度 ，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量； 3.动态响应好 由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因 此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的 频率下工作，特别适用于动态测量。 4.灵敏度高 可以做得很灵敏，分辨力高，能测量0.01m 甚至更小的位 移。 电容式传感器特点： 3.3 电容式传感器 缺点： 1.输出阻抗高，负
6、载能力差 电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般只 有几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其 当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达 。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生 不稳定现象，严重时甚至无法工作。 2.寄生电容影响大 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其初始电容量都很 小(几pF到几十pF)，而连接传感器和电子线路的引线电缆电 容(12m导线可达800pF)、电子线路的杂散电容以及传感器 内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低 了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随 机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。 传感
7、器测量原理 3.4 电感式传感器 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: 电感式传感器自感型 可变磁阻型 涡流式 互感型 3.4 电感式传感器 1 自感型-可变磁阻式 原理:电磁感应 自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化， 通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传 感器有变气隙式、变截面积式和螺线管式三种。 忽略第一项 传感器测量原理 差动气隙型 单螺管线圈型 螺管线圈差动 比较单线圈和差动两种变隙式电感传感器的特性，可 以得到如下结论： 差动式比单线圈式的灵敏度高1倍。 差动式的非线性项等于单
8、线圈非线性项乘以( )因子，因为，所以差动式的线性度得到明显改善。 2 自感型-涡流式 原理:涡流效应 3.4 电感式传感器 传感线圈由高频电流I1激磁，产生高频交变磁场H1，当被 测金属置于该磁场范围内，金属导体内便产生涡流I2，I2将产 生一个新磁场H2，H2和H1方向相反，因而抵消部分原磁场H1， 从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。 原线圈的等效阻抗Z变化： 3.4 电感式传感器 显然，金属板厚度尺寸d越大， 穿过金属板L2到达的磁通2就越小， 感应电压u2也相应减小。因此，可根 据u2的大小得知被测金属板的厚度。 3.4 电感式传感器 3.4 电感式传感器 案例：连续油管的
9、椭圆度测量 Coiled Tube Eddy Sensor Reference Circle 3.4 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 。 火车轮检测 油管检测 3.4 电感式传感器 自感式传感器测量电路 a)电桥电路 3.3 电感式传感器 这种电路结构简单，主 要用于差动式自感型传感器 。图中L1和L2为差动式传感 器的两个线圈，分别与选频 电容C1和C2并联组成相邻的 两个桥臂，电阻R1和R2组成 另外两个桥臂，电源由振 荡器供给，振荡频率根据涡 流式传感器的需求选择。电 桥将反应线圈阻抗的变化， 线圈阻抗的变化将转换成电 压幅值的变化。 b) 调频测量电路
10、3.3 电感式传感器 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部 分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就 发生变化。 c) 运算放大器电路 3.3 电感式传感器 Zx为一固定的线圈阻抗，ZL为传感器线圈电涡流效应的等效 阻抗；D为测量距离。放大器的反馈电路是由ZL组成，当线圈与 被测体之间的距离发生变化时，ZL变化，反馈放大电路的放大倍 数发生变化，从而引起运算放大器输出电压变化，经检波和放 大后使测量电路的输出电压变化。因此，可以通过输出电压的 变化来检测传感器和被测体之间距离的变化。 2 互感型-差动变压器 3.4 电感式传感器 当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使
11、两次级线圈的互感系数 M1=M2。根据电磁感应原理，将有E21=E22，则U2=E21-E22=0，即差动变压器输出 电压为0。 当铁芯向右移动时，在右边二次线圈内穿过的磁通比左边二次线圈多些 ，所以互感也大些，感应电动势E21增加；另一个线圈的感应电动势E22随铁芯 向右偏离中心位置而逐渐减小；反之，铁芯向左移动时，E21减小，E22增加。 3.4 电感式传感器 当铁芯位于中心 位置，输出电压U2 并不是零电位， 这个电压就是零 点残余电压Ux 产生零点残余电压的原因有很多，不外乎是变压器的制作 工艺和导磁体安装等问题，主要是由传感器的两次级绕组的电 气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非
12、线性等引起的， 一般Ux在几十毫伏。在实际使用时，必须设法减小，否则将会 影响传感器的测量结果。 差动变压器位移传感器 3.4 电感式传感器 案例：板的厚度测量 3.4 电感式传感器 案例：张力测量 3.4 电感式传感器 差动变压器测量电路 3.4 电感式传感器 差动整流电路 第三章、传感器测量原理 3.5 磁电式传感器 1.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。 2 分类 磁 电 式 动圈式 磁阻式 线速度型 角速度型 N 3.5 磁电式传感器 动圈式传感器 线速度型 3.5 磁电式传感器 角速度型 测速电机 3.5 磁电式传感器 磁阻式传感器 磁电式车速传感器 3.5 磁电式传感器
