感测技术课件.ppt

1、第二章 基本电量传感器第二章 基本电量传感器 基本电量电阻电位器式传感器 基本电量电感电感式传感器 基本电量电容电容式传感器第二章 基本电量传感器 电位器式位移传感器电位器式位移传感器 位移位移电位器抽头联动，电位器抽头联动，电阻变化电阻变化转换电路转换电路 电压的变化电压的变化处理电路处理电路 非电量（力、位移、形变、速度和加速非电量（力、位移、形变、速度和加速度等）变化度等）变化 敏感元件敏感元件电阻变化电阻变化 第二章 基本电量传感器 电位器式传感器具体测量：直线位移电位器式传感器具体测量：直线位移 角度位移角度位移 线绕式为主，电阻和电压的分压与位移线绕式为主，电阻和电压的分压与位移线

2、性成比例线性成比例 噪声与结构：噪声与结构：自由电子随机运动，自由电子随机运动，均匀的频谱；均匀的频谱；第二章 基本电量传感器 接触噪声、摩擦噪声、振动噪声接触噪声、摩擦噪声、振动噪声 电位器式位移传感器应用电位器式位移传感器应用 测量毫米到米、度到测量毫米到米、度到360度。度。第二章 基本电量传感器电感式传感器电感式传感器 第二章 基本电量传感器 2.2.1 自感式位移传感器自感式位移传感器 可变化的部分：气隙、铁芯面积、活动可变化的部分：气隙、铁芯面积、活动衔铁衔铁 2.2.2 差动式自感传感器差动式自感传感器 公共衔铁的两个相同自感传感器，克服公共衔铁的两个相同自感传感器，克服零位输出

3、、提供灵敏度、减少误差。物零位输出、提供灵敏度、减少误差。物体有位移，一个线圈电感增加，另一个体有位移，一个线圈电感增加，另一个减小，形成差动形式。减小，形成差动形式。第二章 基本电量传感器 2.2.3 互感式电感传感器互感式电感传感器 变压器式，常用差动形式，初级线圈输变压器式，常用差动形式，初级线圈输入激励电压，两个结构相同的次级线圈入激励电压，两个结构相同的次级线圈反向串联输出差动电压反向串联输出差动电压 灵敏度灵敏度 线性度线性度 零点残余电压及其消除：零点残余电压及其消除：第二章 基本电量传感器 残差产生的原因：次级线圈不对称；铁残差产生的原因：次级线圈不对称；铁芯非线性，高次谐波不

4、能对消。芯非线性，高次谐波不能对消。采取措施：力求对称；拆线圈；电路补采取措施：力求对称；拆线圈；电路补偿偿并联电位器、电容；串联电阻、并联电位器、电容；串联电阻、并联电容在次级线圈电路。并联电容在次级线圈电路。第二章 基本电量传感器 2.2.4 电涡流式传感器电涡流式传感器 高频发射式为主，涡流作用范围是线圈外径的高频发射式为主，涡流作用范围是线圈外径的1.4倍。倍。高频回路阻抗与被测材料电阻率、导磁率、激高频回路阻抗与被测材料电阻率、导磁率、激励信号频率和距离有关：励信号频率和距离有关：第二章 基本电量传感器 2.2.5 电感传感器典型应用电感传感器典型应用 自感式位移传感器（螺线管式）自

5、感式位移传感器（螺线管式）被测物带动衔铁上下动，差动式线圈输被测物带动衔铁上下动，差动式线圈输出电压差，应用于位移、轴跳动、零件出电压差，应用于位移、轴跳动、零件受热变形等。受热变形等。第二章 基本电量传感器 差动变压器式微小位移测量差动变压器式微小位移测量第二章 基本电量传感器 涡流位移传感器涡流位移传感器第二章 基本电量传感器 涡流振幅测量涡流振幅测量第二章 基本电量传感器 涡流厚度测量涡流厚度测量第二章 基本电量传感器 涡流探伤涡流探伤第二章 基本电量传感器第二章第二章 基本电量传感器基本电量传感器电容式传感器电容式传感器3.1 3.1 电容式传感器的结构和工作原理电容式传感器的结构和工

6、作原理典型应用范围：典型应用范围：(角角)位移、振动、加速度、物位、成分含量、层析、差压位移、振动、加速度、物位、成分含量、层析、差压一、基本工作原理（物理学内容的复习）一、基本工作原理（物理学内容的复习）1.1.平行板电容器平行板电容器电容量电容量C C：板级间的距离：板级的面积真空中的介电常数常数板级间介质的相对介电板级间介质的介电常数dA/dAdACrr).(:21200NmC10858+-dA平行板电容器平行板电容器电力线忽略了边缘效应忽略了边缘效应 当平行板的间距当平行板的间距d d 远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严

7、格的条件下，边缘效应即可忽略。对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。RrL同心圆筒形电容器同心圆筒形电容器 2.同心圆筒形电容器同心圆筒形电容器：筒长：外筒内半径：内筒外半径真空中的介电常数常数板级间介质的相对介电板级间介质的介电常数LRr/rRLrRLCrr).(:lnln21200NmC1085822忽略了边缘效应忽略了边缘效应:L (R r)在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在待测对象在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在待测对象的作用发生变化，其电容量将随之改变，这就是电容式传感器的物理基的作用发生变化，其电容量将随之改变，这就是电容式传感器的物理

8、基础。对于平行板电容器可以变化的参数有：础。对于平行板电容器可以变化的参数有：、A、d等等；对于同心圆筒对于同心圆筒形电容器可以变化的参数有：形电容器可以变化的参数有：、L L、r/R等等。二、变极距型电容式传感器（平行板电容器式）二、变极距型电容式传感器（平行板电容器式）.:;:）初始板间距（初始极距初始电容量0000dCdAC当极距当极距 d0 d1 =d0-d 时，则电容量时，则电容量C0 C1 1。度较高。相应会大一些，即灵敏小一些，则所以初始极距，由于。时，当CdddCCddCCdddddddAdddAddAdAC 00000020000111,11100C00 0 然而，然而，d0

9、受介质的绝缘强度限制（空气受介质的绝缘强度限制（空气:约约 3KV/mm），），不可太小。不可太小。通常，通常，d 在在25200m之间，之间，d/d0 0.1（非线性误差不可太大）。非线性误差不可太大）。利用利用d C的特性，可以测量微小位移或厚度。的特性，可以测量微小位移或厚度。三、变极板面积形电容传感器三、变极板面积形电容传感器定极板定极板动极板动极板平板电容式角位移传感器平板电容式角位移传感器 1.角位移传感器角位移传感器 模型：两半圆形板极模型：两半圆形板极(定板极和动板极定板极和动板极)的间距为的间距为d,面积均为面积均为A，可绕同圆心转动，其夹角为可绕同圆心转动，其夹角为。CCC

10、dAdACAAdAC001110011100：板级间的的相对面积为时，。时，C1 1（C）与与（角位移）成线性关系。角位移）成线性关系。D0D1La圆柱形电容式线位移传感器圆柱形电容式线位移传感器 2.2.同心圆筒形线位移电容式传感器同心圆筒形线位移电容式传感器 模型：如右图。初始电容模型：如右图。初始电容C0：筒长LCLDDLCDDLCrr)/;/(ln.,lnpFcm80121001000成线性关系。与aLaCDDaLCr,ln1201001当内筒上移为当内筒上移为a a 时，内外筒间的电容时，内外筒间的电容C1 1为：为：四、动介质型电容式位移传感器四、动介质型电容式位移传感器变介质片电

11、容器传感器变介质片电容器传感器12d1d2LaBCAC 模型：如右图，这种电容可以看成是模型：如右图，这种电容可以看成是CA A、CB B两个电容的并联。设板极宽度为两个电容的并联。设板极宽度为b b 则：则：1122ddbaCA112ddaLbCB)(11211211221121122ddbaddbLddbaddaLbddbaCCCBA)(1120ddbLCLaddCC212121011C与与a 成线性关系。成线性关系。多层电容传感器多层电容传感器 由于单层平板由于单层平板式电容的容量较小，式电容的容量较小，所以实际应用中常所以实际应用中常常采用多片重叠极常采用多片重叠极板并将其并联，以板并

12、将其并联，以增大容量。如收音增大容量。如收音机的调谐电容等。机的调谐电容等。五、电容式传感器的输出特性五、电容式传感器的输出特性。2000000111111100ddddCddCdddAddAC 从前述讨论可知，变极板面积形电容传感器的电容量与作用量（从前述讨论可知，变极板面积形电容传感器的电容量与作用量（、L）间呈严格的线性关系，而变极距型电容式传感器仅在间呈严格的线性关系，而变极距型电容式传感器仅在d d/d d 较小时较小时呈近似线性关系。按线性关系处理，必然带来一定的非线性误差。呈近似线性关系。按线性关系处理，必然带来一定的非线性误差。d/d0C1 1C0 为减小或消除这种非线性误差，

13、可采为减小或消除这种非线性误差，可采用差动电容式传感器。用差动电容式传感器。2d1d2C1C动板极动板极定板极定板极差动电容传感器差动电容传感器 1.1.差动电容式传感器及其输出特性差动电容式传感器及其输出特性2211dACdAC (C1、C2的介质相同的介质相同)设初态设初态d01=d02=d0,则则C01=C02=C0。动板极上动板极上移移d d：ddACddAC 0201 不会过不会过零点的零点的00020200202002022022000002102012111211211211ddCCddddddCdddddAddddAddddddACddddACCCddACddAC时，当)()(

14、2.2.变极距型电容式传感器的输出特性变极距型电容式传感器的输出特性000000000000100010111111111111000ddCCddddddCddddCddCCCCddCdddAddACdAC时当246810203040dd21CC 差动电容传感器输出特性曲线差动电容传感器输出特性曲线 对这两个输出特性作一简单的比较即可发现，差动电容传感器的非对这两个输出特性作一简单的比较即可发现，差动电容传感器的非线性因子要比变极距型电容式传感器的非线性因子小得多，做近似性线线性因子要比变极距型电容式传感器的非线性因子小得多，做近似性线性处理后，差动电容传感器的非线性误差自然也要小得多。性处理

15、后，差动电容传感器的非线性误差自然也要小得多。3.3.近似公式的非线性相对误差近似公式的非线性相对误差 差动电容传感器差动电容传感器 变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器00000011ddrddCCddddCCd实际近似实际实际公式实际公式近似公式近似公式。所以结论：由于dcrrdd,10202220020000202001111221122112 ddxxxxCxCxxCrddxrddCCddddCCcc)(令实际近似实际实际公式实际公式近似公式近似公式六、电容式传感器的输出灵敏度六、电容式传感器的输出灵敏度 输出灵敏度的定义：电容量的变化输出灵敏度的定义：电容量的变化C与引起该变化的

16、机械位移与引起该变化的机械位移L L(d d)的比值。的比值。dCLC 1.1.平板型变极距型电容式传感器的输出灵敏度平板型变极距型电容式传感器的输出灵敏度单电容20001dAdCdC差动电容2000212dAdCdC3.2 3.2 电容式传感器的等效电路及特性电容式传感器的等效电路及特性一、一、电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路PRSRLC图图3-93-9电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路RP 并联损耗电阻并联损耗电阻(板极间的漏电及介质损耗板极间的漏电及介质损耗)RS 串联损耗电阻串联损耗电阻(引线电阻及高频驱肤效应引线电阻及高频驱肤效应)L 分布电感分布电感C 传感器

17、电容传感器电容在在RP、RS忽略时，传感器的等效电容忽略时，传感器的等效电容Ce由由:eCCjLjCje 11 。时时在在，得得CCCLCLCCee 01122 容抗容抗感抗感抗CCCLCCCCLCCCCLCCCCLCCLCLCCCLCLCCCCCLCCCCCeee11)(1)()(1()(11)(11)(1)(1 222222222，eeCCCLCCC)(12 CLCCCCCCee2111 时时：有有关关。、与与还还有有关关不不仅仅与与 LCCCCee,二、二、电容式传感器的几个典型特点电容式传感器的几个典型特点 1.1.高阻抗高阻抗 直流电阻趋于无穷大，交流阻抗直流电阻趋于无穷大，交流阻抗

18、1/(1/(jC)由于由于C一般较小，当频率一般较小，当频率不太高时交流阻抗也很大。不太高时交流阻抗也很大。2.2.小功率小功率 功率功率PC=UI=U 2C，由于由于C很小，则在很小，则在频率频率不太高时不太高时PC也很小。也很小。3.3.存在静电吸引力存在静电吸引力 由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。测量时可能会引入附加误差。4.4.测量回路通常要用交流回路。测量回路通常要用交流回路。三、三、边缘效应及修正边缘效应及修正+-带保护环的带保护环的平行板电容器平行板电容器保护环+-d平行板电

19、容器平行板电容器电力线边缘效应边缘效应dhfdrrdrCr1620ln2rAh实际电容量：实际电容量：修正方法：使用保护环。修正方法：使用保护环。3.3 3.3 电容式传感器的信号变换电路电容式传感器的信号变换电路一、一、交流不平衡电桥交流不平衡电桥jACACeZZZZNZZZZNNUUZZZUZZZZNZZZZZZUU4343111120111043214332110110.,条件：，当电桥平衡。时当对于差动电桥：对于差动电桥：时。，当电桥平衡。时当12011021222111043214332110NZZUUZZZZZZZZUZZZZNZZZZZZUUACAC.)(,实际上，对于差动电容实

20、际上，对于差动电容传感器，初态电容传感器，初态电容C1=C2=C则其初态阻抗：则其初态阻抗：CCUCCjCCjCCjUUZZCjZZACAC,21211111104321输出：并可使用纯电阻。此时，比例臂关于平板型差关于平板型差动电容式传感动电容式传感器的详细讨论器的详细讨论交流电桥 电桥输出电压与被测位移量有关外，还与电桥的电源电压有关。EddU0二、二、差动脉宽调制电路差动脉宽调制电路A1A2UrR1R2C1D1D2C2Q QQ QACBDA3+V-VU0R-S 触发器触发器脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路CCCCCC0201,1.1.电路基本结构（电路基本结构（R-S 触发器）触发器）2

21、.2.工作过程工作过程 设加电初态设加电初态 则则C1 1充电。开始时刻，充电。开始时刻，VC、VD Ur A2输出低输出低。；01QQ输出低电平输出低电平 C1 1 经经D1放电放电 VC Ur A1输出低电平输出低电平 C2 2 经经D2放电放电 VD PL时，中时，中心膜片上凸，上部电容为心膜片上凸，上部电容为CL，下部电容为下部电容为CH。此时，此时，CH 相当于当前膜片位置与相当于当前膜片位置与平直位置间的电容平直位置间的电容CA和和C0的串联；而的串联；而C0又可以看成又可以看成是膜片上部电容是膜片上部电容CL与的与的CA串联。即：串联。即：凸玻璃圆片凸玻璃圆片弹性膜片弹性膜片(动

22、电极动电极)固定电极固定电极P差动电容式差压传感器差动电容式差压传感器P弹性膜片弹性膜片(动电极动电极)固定电极固定电极电容式压力传感器电容式压力传感器1C2C2121CCCCCCACLCHC0C0CA等效电路等效电路hmaxd0CACLCHC0PHPL00000CCCCCCCCCCCCCCCAAHAALLALA;现在，需要解决的问题是，中心膜片处于平直状态时，现在，需要解决的问题是，中心膜片处于平直状态时，C0=C(d0)=?；当当PHPL模片上凸模片上凸hmax时，时，CA=C(h)=?。电容量分析电容量分析 设膜片半径为设膜片半径为a，球冠形固定电极的半球冠形固定电极的半径为径为R，固定

23、电极的实际拱底半径为固定电极的实际拱底半径为b，拱底拱底距膜片的距离为距膜片的距离为db，当，当d0R时：时：Rbadbd0实线为球冠实线为球冠型固定电极型固定电极bddC002ln在在PH-PL作用下中心膜片的上凸量作用下中心膜片的上凸量h近似为近似为:为膜片周边张力。TraTPPhLH,224而而CA为：为：(积分求解过程省略积分求解过程省略)。22222222241144baaTkPPkPPbaaTbaaPPTCLHLHLHAln;lnlnLHQAQALLHLAAHLAAAAAAHLLLHLQQPPkCUCCUUCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCUCCCCUU0

24、0002022020220000021210,利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U0：输出输出U0与差压与差压PH-PL成正比。成正比。计算点半径计算点半径 2.电容式物位传感器（物位计）电容式物位传感器（物位计）根据电容式物位计原理示意图，可以得到该根据电容式物位计原理示意图，可以得到该同心圆筒形电容器的总电容同心圆筒形电容器的总电容C与与Lx成正比：成正比：Rr0L电容式物位计原理示意图电容式物位计原理示意图LxLLrRLLLrRCxxx00022)(ln)(ln 一种实际的电容式液位计模型一种实际的电容式液位计模型这种电容式液位计适合用于测量

25、水或其它具有导这种电容式液位计适合用于测量水或其它具有导电性质液体的液位，浸没在液体中的绝缘电缆的电性质液体的液位，浸没在液体中的绝缘电缆的芯线作为同轴电容器的内导体，导电性液体作为芯线作为同轴电容器的内导体，导电性液体作为外导体，绝缘层为电介质外导体，绝缘层为电介质,介电常数为介电常数为=0r 。当当浸没浸没深度为深度为h，电缆的芯线直电缆的芯线直径为径为d1 1，电缆外径为电缆外径为d2 2时，时，芯线与导电液体间的电容芯线与导电液体间的电容Cx：122ddhCxln与与h成成正比。正比。CdCdC1C2CCeBAMCxL1L2E1E2D1D2D3D4水水中电缆断面水中电缆断面防水绝缘层防

26、水绝缘层芯线芯线h一种实际的电容式物位计一种实际的电容式物位计 模型电路分析模型电路分析 这种电容式液位计的测量电路由环形二极管电路构成，用频率为这种电容式液位计的测量电路由环形二极管电路构成，用频率为f(周周期为期为T T )的方波驱动。方波低电平为的方波驱动。方波低电平为E1，高电平为高电平为E2，工作过程如下：工作过程如下：方波高电平期间方波高电平期间,方波电平经方波电平经C1、D1给给Cx充电到充电到E2，又经又经C1、Ce、D3给给Cd+C/d充电到充电到E2。Cx冲上的电量为冲上的电量为Qx =Cx(E2-E1)；C=(=(Cd+C/d)冲冲上的电量为上的电量为Qd=(=(Cd+C

27、/d)()(E2-E1)；(电感电感L1、L2阻断了高频方波阻断了高频方波)方波低电平期间，方波低电平期间，Cx上电荷经上电荷经D2、C1、Ce放电到放电到E1，C上电荷上电荷经经D4、C1放电到放电到E1。此期间，此期间，Ce上的剩余电荷为上的剩余电荷为Q:(:(左负右正左负右正)CdCdC1C2CCeBAMCxL1L2E1E2D1D2D3D4水水中电缆断面水中电缆断面防水绝缘层防水绝缘层芯线芯线h一种实际的电容式物位计一种实际的电容式物位计 此剩余电荷可形成直此剩余电荷可形成直流电经流电经L1、M、L2释放：释放：12-EE C CCx QQQdddx。时成正比，且与则：调节初始电容时设0001200012IhhEECCfICCCCChEECCCfIfQTQIxxxddxxddx)()()(因因Cx与与h成正比成正比。CdCdC1C2CCeBAMCxL1L2E1E2D1D2D3D4水水中电缆断面水中电缆断面防水绝缘层防水绝缘层芯线芯线h一种实际的电容式物位计一种实际的电容式物位计第二章第二章 基本电量传感器基本电量传感器 小结小结 电阻、电感和电容电阻、电感和电容 可测：位移、压力、速度、加速度、振可测：位移、压力、速度、加速度、振动、成分含量、液位、角度、探伤动、成分含量、液位、角度、探伤第二章第二章 基本电量传感器基本电量传感器 课后作业及讨论准备课后作业及讨论准备