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1、1,第八章 电容传感器,主要内容： 8.1电容传感器原理与类型 8.2电容传感器测量电路 8.3电容传感器的应用,2,电容式传感器的特点特点： 电容器容量小（几十几百微法），具有高输出阻抗; 静电引力小（极板间），无振动； 功耗小，本身发热影响小； 可以进行非接触测量，使用方便。,概述,3,8.1 电容传感器工作原理和类型,电容式传感器是将被测非电量转换成电容量的一种传感器。 电容传感器工作原理可以用平板电容说明：,改变下述三个参数之一即可改变电容 S 极板面积，变面积型传感器 极板距离，变极距型传感器 介电常数，变介质型传感器 真空介电常数 相对介电常数， 空气介质:r =1,4,变极距型传
2、感器,1-静极板；2-动极板；3-静极板,5,变面积型传感器,1、2 -为极板,6,变介质型传感器,7,8.2 信号转换电路 1.电容传感器的等效电路,电容式传感器被当作纯电容来看待，但是在高温、高湿度和高频激励条件下，则需考虑附加损耗及电感效应等因素的影响。,C为传感器的电容，RP为并联损耗电阻，RS为串联损耗电阻，L为电感，CP为寄生电容。,8,2.电桥转换电路,由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。 单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容C0与之相匹配； 半桥： C1、C2组成电桥的两个桥臂 交流电桥的输出电压为：,输出电压与电容的关系,9,极板在中间位置时,动片上移时电容变化,输出
3、电压为：,同理，动片下移时，输出电压为：,即：输出电压与位移成线性关系,10,11,如果传感器是一只平板电容，则Cx=S/d，可得,12,4、C/f转换电路,电容式传感器与L组成并联谐振电路，当cx发生变化时，振荡器的频率f发生变化。经限幅、鉴相、放大等环节后，输出信号的频率随cx的变化而变化。,13,5、 脉冲宽度调制电路,组成：（1）比较器；（2）双稳态触发器；（3）充放电回路；（4）低通滤波电路。,14,当C1=C2时，uA、uB 波形宽度相等，则电压uAB为正负半波对称，输出电压uO为0；,当C1C2时，uA、uB 波形宽度不相等，则电压uAB为正负半波不对称，输出电压uO不为0；,1
4、5,8.3 电容式传感器的应用,电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A 和极间介电常数 。固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。,16,一、湿敏电容传感器,结构 特点： （1）电容传感器的介质采用具有吸湿性强的绝缘材料； （2） 电极为多孔电极。 工作原理： 当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数增加，所以电容量增大。,17,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,18,湿敏电容传感器的安装使用,在野外的使用,带报警器的家
5、庭使用型,19,二、电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等） ；可以是接地的，也可以是不接地的。 调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。,20,电容式接近开关在 物位测量控制中的使用,21,三、电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,22,结构： （金属弹性膜片）动片；两个玻璃球面上镀有金属定片，并引出电极；膜片左右两侧充满硅油。,电容式压力传感器,工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，硅油能将压差传递到测量膜片，使膜片变形。根据压力PH 和PL 的不同
6、，变形情况不同。,23,（1）当PH=PL时，膜片不变形，膜片处于中间位置，C1=C2； （2）PH PL时，膜片PL向右弯曲，C1C2； （3）PH C2。 将这种电容变化通过电路转换为电压输出。,24,带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。 带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变，电桥输出为0；带材的厚度变化使电容Cx变化。变压器式电桥输出电压不为0。 电桥输出电压为,四、板材厚度测试,h-板材厚度,25,本章小结,1.电容式传感器的基本原理,2.电容式传感器的基本形式： （1）变间隙（变极距）（2）变面积（3）变介质,3电容式传感器的信号转换电路(1)桥式转换电路(2)
7、运算放大电路(3)C/f转换电路(4)脉宽调制电路,26,第九章 磁电式传感器,主要内容： 9.1 磁电感应式传感器 9.2 霍尔式传感器 9.3 磁电式传感器的应用,27,9.1 磁电感应式传感器,9.1.1 工作原理,根据电磁感应定律：穿过N匝线圈的磁通发生变化时，线圈产生感应电势，其大小为：,式中：B 磁感应强度， N 线圈匝数， L 每匝线圈长度， V 运动速度,N匝线圈作切割磁力线运动时，线圈中也产生感应电势，其大小为：,28,根据以上原理有两种磁电感应式传感器： 恒磁通式：磁路系统恒定磁场(永久磁场），线圈是运动部件。 变磁通式：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。,2
8、9,线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮在转动。 这种传感器结构简单，但输出信号较小，且转速高时，测量误差大。,变磁通式1（开磁路）,30,它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 外齿轮6不动，内齿轮5随被测轴而转动。,变磁通式2（闭磁路）,31,磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈（动圈式）。,恒磁通式,32,9.1.2 磁电感应传感器的结构及测量电路,一、传感器的结构 (1)磁路系统。它产生一个恒定直流磁场，为了减小传感器体积，一般都采用永久磁铁。 (2)线圈。它在变化磁通作用下产生感应电动
9、势。 (3)运动机构。它使线圈与磁场产生相对运动，使线圈运动的称为动圈式，使磁铁运动的称为动铁式。,33,动圈型（永久磁铁与壳固定）1骨架；2弹片；3-线圈；4磁铁；5-壳体。,动钢型（线圈与壳体固定）,34,二、信号输出测量电路,直接输出电动势测量速度； 接入积分电路测量位移； 接入微分电路测量加速度。,35,9.2 霍尔式传感器,概述,霍尔传感器属于磁敏元件，它是基于磁电转换原理而工作的。 磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号。,特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。,36,9.2.1 霍尔效应,1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的
10、发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。,霍尔效应：若在某导体薄片的两端通过电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场方向的平面上产生电动势，称为霍尔电势或霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。,37,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片的内侧面与外侧面形成电荷的积累，形成电势，建立电场。,38,在磁场作用下导体中的自由电子受到洛仑兹力的作用，被推向导体的另一侧，每个电子受力的大小为：,同时，电子还受到霍尔电场的作用，作用力的大小为：,霍尔电场,当两作用力相等时电荷不再 向两边积累达到动态平衡：
11、,39,霍尔电势：,通过（半）导体薄片的电流密度为：n e v其中：n -载流子浓度。则电流I可表示为 I=n.e.v.b.d,其中：RH-霍尔常数，与材料有关; KH-灵敏度。,与薄片厚度有关,霍尔灵敏度,即：,40,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其平面的法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为 UH=KHIBcos,41,讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可 以制造霍尔元件; 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度n很
12、高，RH很小，UH很小; 半导体材料电阻率较大 RH大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用 N 型半导体（多电子）; 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH 越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d1m) 。,42,9.2.2 霍尔元件的基本结构与基本测量电路,1. 霍尔元件基本结构,霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔薄片、四根引线和壳体组成的。,43,国产霍尔元件别号的命名方法如下：,常见的国产霍尔元件型号有HZ1、HZ2、HZ3、HT1、HT2、HS1等。,44,2. 霍尔传感器基本电路,霍尔晶体的外形为矩形薄片加四根引线，两端加激励，另
13、两端为输出，RL为负载电阻。,电源E通过R控制激励电流I；B 磁场与元件面垂直（向里） 实际应用时，可把I*B作输入， 也可把I或B单独做输入； 通过霍尔电势输出得到结果， 输出Uo与I或B成正比关系，或与I*B成正比关系。,45,霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来。,霍尔元件的连接,激励电流极应该是并联的，输出是串联的，输出电压增大。,46,9.2.3 霍尔元件的主要技术参数,(1) 额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。 当元件在允许最大温升时所对应的激励电流称为最大允许激励电流。
14、因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流。改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。,47,(2） 输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。 通常输入电阻和输出电阻是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。,48,（3） 不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零， 则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。 不等位电阻为：R0=U0/IH 产生不等位电势的原因有： 霍尔电极安装位置不对称，造成两电极
15、不在同一等电位面上；,49, 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀，相当于霍尔电极不在同一等电位面；, 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,50,(4）寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。 其产生的原因： 激励电极与霍尔电极接触不良，造成整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极的散热状态不同而形成极间温差电势。 寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。,51,9.2.4 测量误差及误差的补偿,1. 霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势有时与霍尔电势具有相同的数量级，甚至超过霍尔电势。减小不等位电势的有效方法是补偿法。 分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。,
