传感器(电容、电感、压电)模板

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:AC0+++Aδ、A或ε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δ变化型+++AC0+++dAdC2020SAddC一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～30pF之间，极板间距离在25～200μm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下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图当差动式平板电容器动极板位移Δd时，电容器C0的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd则10011CCdd20011CCdd35120000[22()2()...]dddCCCCddd002CdCd非线性误差δ近似为32002()100%()100%2()dddddd驻极体电容传声器3.3电容式传感器b)面积变化型AC0角位移型+++3.3电容式传感器平面位移型柱面线位移型.AC03.3电容式传感器xbA00dddCbxS0ddC很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx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AC03.3电容式传感器3.3电容式传感器设被测介质的介电常数为ε1，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：ε——C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即：可见此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。111022()2()2()2lnlnlnlnlnhhhHhHCCDDDDDddddd02lnHCDd测量电路a)电桥电路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：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。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。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。2DV1DV1DV2DV若传感器输入不为0，则C1≠C20122(2)(CC)()LLLLiLRRRUIRRUfRRb)调频测量电路3.3电容式传感器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。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。12012()fLCc)运算放大器电路3.3电容式传感器图中Cx为电容式传感器，是交流电源电压，是输出信号电压，Σ是虚地点。由运算放大器工作原理可得：如果传感器是一只平板电容，则Cx=εA/d，代入上式有：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器的非线性问题。0ixCUUC0CiUUdA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0.01μm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～Ω。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(1～2m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。610810传感器测量原理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m2RNL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。00mA2AR2002ANL忽略第一项传感器测量原理2002ANL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：①差动式比单线圈式的灵敏度高1倍。②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以()因子，因为，所以差动式的线性度得到明显改善。0/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。22221121222222212222j[]UMMZRRLLIRLRL原线圈的等效阻抗Z变化：)h,,,,(ZZ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：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensorReferenceCircle3.4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μ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。12012()fLCc)运算放大器电路3.3电感式传感器0ixCUUC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。dtdeN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。cosSB),,(Bdtd2分类磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.5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