傳感器技術(shù) 變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用PPT課件

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1、19:09:533.1 自感式傳感器 u3.1.1 工作原理u3.1.2 變氣隙式自感傳感器u3.1.3 變面積式自感傳感器u3.1.4 螺線管式自感傳感器u3.1.5 自感式傳感器測(cè)量電路u3.1.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例第1頁/共125頁29:09:54n電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)原理n即利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量第2頁/共125頁39:09:54a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型自感式傳感器原理圖(xLU I位移、流量、振動(dòng)）（自感）（ ）3.1 3.1 自感式傳感器第3頁/共125頁49:09:54線圈自感： 線圈總磁鏈,單位：韋伯；通過每匝線圈的磁通量；I I通過

2、線圈的電流，單位：安培；W W線圈的匝數(shù)；R Rm m磁路總磁阻，單位：1/1/亨。mRWIWIL23.1.1 3.1.1 工作原理 第4頁/共125頁59:09:54S1l1L1W23l21線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動(dòng)鐵芯)S2當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。 自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成，鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。第5頁/共125頁69:09:54niiiiSSlWL102/2/SSlRniiim01/2/S

3、 ,fL SfL2 1fL 變氣隙型傳感器變截面型傳感器 氣隙厚度較小，可以認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，忽略磁路鐵損，則總磁阻為：線圈自感: : 第6頁/共125頁79:09:543.1.2 3.1.2 變氣隙式自感傳感器 002221112sslslRm002sRm20022sWRWLmL與之間是非線性關(guān)系 S1l1L1W23l21線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動(dòng)鐵芯)S2（3.1.6）第7頁/共125頁89:09:54分析：當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為000202sWL 當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則 ，代入式（3.1.6）式并整理得0000020/1)(2LsWLLL0LLL0第8頁/共125頁99

4、:09:54 200000001/11LL同理，向下移動(dòng)時(shí)，有: : 30200000001/11LL向上移動(dòng)時(shí)：第9頁/共125頁109:09:54線性處理，得：00LL0001/LLk 變間隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。為了減小非線形誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。靈敏度k k0 0為：第10頁/共125頁119:09:55與 的矛盾n銜鐵上移 切線斜率變大n銜鐵下移切線斜率變小 0k第11頁/共125頁129:09:55為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。 4020002112LLLL差

5、動(dòng)傳感器電感的總變化量：第12頁/共125頁139:09:55線性處理，得： 002LL靈敏度k k0 0為：0002/LLk（1 1）差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的2 2倍。（2 2）單線圈是忽略 以上高次項(xiàng)，差動(dòng)式是忽略 以上高次項(xiàng)，因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善。20 30 200001LL 40200012LL第13頁/共125頁149:09:55變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸入與輸出呈線性關(guān)系；因此可望得到較大的線性范圍。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。3.1.3 3.1.3 變面積式自感傳感器 設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)

6、率相同，則此變面積自感傳感器自感L L為：sKslWslslWLr02002/KdsdLk/0lsWLlsWL00200222第14頁/共125頁159:09:553.1.4 3.1.4 螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈；2-螺線管線圈；3-骨架；4-活動(dòng)鐵芯 llrrlWrLLLccr22022010011（3.1.21）線圈、的初始電感值：第15頁/共125頁169:09:55當(dāng)鐵芯移動(dòng)（如右移）后：lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為：222021211lrWdxdLdxdLkkcr（3.1.24）上式表明兩

7、只線圈的靈敏度大小相等，符號(hào)相反，具有差動(dòng)特征。 第16頁/共125頁179:09:55考慮到 ，而lc與l，rc為同數(shù)量級(jí)的量，則式(3.1.21)(3.1.21)和式(3.1.24)(3.1.24)可簡(jiǎn)化為 222020100llrWLLLccr222021lrWkkcr提高?；蚝褪苟伎梢裕瑸槌?shù)時(shí)，增加與結(jié)論：當(dāng))(W210rkkLrllcc1rllrrlWrLLLccr22022010011第17頁/共125頁189:09:553.1.5 自感式傳感器測(cè)量電路自感式傳感器測(cè)量電路1 1、自感式傳感器等效電路2 2、交流電橋3 3、調(diào)幅電路4 4、調(diào)頻電路 5 5、調(diào)相電路6 6、自感傳

8、感器的靈敏度第18頁/共125頁199:09:551. 自感式傳感器的等效電路自感式傳感器的線圈并非是純電感，包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，總電阻用R R表示；線圈的自感L L, , 繞線間分布電容C C。RCLZ第19頁/共125頁209:09:56等效線圈阻抗為： CjLjRCjLjRZ/)(將上式有理化并應(yīng)用品質(zhì)因數(shù)Q=L/R，可得 22222222222)1 (1)1 (QLCLCQLCLCLjQLCLCRZ當(dāng)Q2LC且2LC1時(shí)，上式可近似為 ZRj L第20頁/共125頁219:09:56交流電橋測(cè)量電路 Z1Z2Z3 RZ4 RoUU)(432132414332

9、110ZZZZZZZZUZZZZZZUU3241ZZZZ電橋平衡的條件：2. 交流電橋式測(cè)量電路第21頁/共125頁229:09:56 把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z Z1 1和Z Z2 2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻R R代替。設(shè)Z Z1 1= =Z Z+Z Z1 1, , Z Z2 2= =Z ZZ Z2 2，Z Z是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗，ZZ1 1, , Z Z2 2分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。)()()()(432211322411432132410ZZZZZZZZZZZZUZZZZZZZZUU第22頁/共125頁239:09:56設(shè)Z Z1 1=Z

10、=Z2 2=Z=Z，Z Z3 3=Z=Z4 4=R=R，| |Z Z1 1|= |-|= |-Z Z2 2|= |= Z Z，則ZZURRZZZZRZZRZZUU21)()()(0RRUUo21與直流差動(dòng)電橋的情況相似：第23頁/共125頁249:09:563.調(diào)幅電路 (1) (1) 變壓器電路輸出空載電壓 21210uZZZuu初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0=0 銜鐵偏離中間零點(diǎn)時(shí) ，、ZZZZZZ21)/()2/(0ZZuu在Q=L/R 很高的時(shí)候，可以忽略線圈內(nèi)阻： u0z2z1u/2u/2ULLULjLjU220第24頁/共125頁259:09:56傳感器銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí) ，

11、、ZZZZZZ21空載輸出電壓 )/()2/(0ZZuu兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差1800 為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號(hào)的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決 。 ULLULjLjU220第25頁/共125頁269:09:56(2) (2) 相敏檢波電路當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使Z Z1 1=Z+=Z+Z Z增加，則Z Z2 2=Z-=Z-Z Z減少。這時(shí)當(dāng)電源u u上端為正，下端為負(fù)時(shí)，電阻R R1 1上的壓降大于R R2 2上的壓降；當(dāng)u u上端為負(fù)，下端為正時(shí)，R R2 2上壓降則大于R R1 1上的壓降，電壓表V V輸出上端為正，下端為負(fù)。第26頁/共125頁

12、279:09:56非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a) 非相敏整流電路；（b） 相敏整流電路使用相敏整流，輸出電壓U U0 0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點(diǎn)殘余電壓的影響。 第27頁/共125頁289:09:56(3) (3) 諧振式調(diào)幅電路輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L L而變化，圖為輸出電壓與電感L L的關(guān)系曲線，其中L L0 0為諧振點(diǎn)的電感值。特點(diǎn)：此電路靈敏度很高，但線性差，適用于線性度要求不高的場(chǎng)合。 01TTj LUUj Lj LjC第28頁/共125頁299:09:564.4.調(diào)頻電路GCLf靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合

13、)/()2/(4/)(2/3LLfLCLCfLf0LCf2/1)2/(1LCf第29頁/共125頁309:09:565.5.調(diào)相電路 傳感電感變化將引起輸出電壓相位變化 RLarctan2LLRLRL)/(1)/(22第30頁/共125頁319:09:566.6.自感傳感器的靈敏度 傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度 轉(zhuǎn)換電路靈敏度 xLLk/)/(0)/(0LLukc總靈敏度 xukkkcz/00自感傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)（測(cè)頭）和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。以調(diào)幅電路為例：第31頁/共125頁329:09:56 假定用氣隙型傳感器，并采用變壓器電橋作為測(cè)量電路則：)/()2/(0ZZuu222222

14、022LRLukLLLRLuuc值時(shí)，則因素電感線圈具有較高品質(zhì)Q第32頁/共125頁339:09:56第一項(xiàng)決定于傳感器的類型第二項(xiàng)決定于轉(zhuǎn)換電路的形式第三項(xiàng)決定于供電電壓的大小 2)()(12220uLRLkz傳感器靈敏度的單位為 (mV/m) /V電源電壓為1V，銜鐵偏移1m時(shí)，輸出電壓為若干毫伏 xukkkcz/00第33頁/共125頁349:09:563.1.6 3.1.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例1. 自感式位移傳感器 2. 自感式壓力傳感器第34頁/共125頁359:09:561 傳感器引線 2 鐵心套筒 3 磁芯 4 電 感 線 圈 5 彈 簧 6 防轉(zhuǎn)件 7 滾 珠 導(dǎo) 軌 8

15、測(cè) 桿 9 密封件 10瑪瑙測(cè)端 第35頁/共125頁369:09:562.2.自感式壓力傳感器變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化， 流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。 第36頁/共125頁379:09:57變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器它主要由C形彈簧管、 銜鐵、 鐵芯和線圈等組成。 當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形， 其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感量增大，

16、另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系， 所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓， 即可得知被測(cè)壓力的大小。 第37頁/共125頁389:09:57 板的厚度測(cè)量 張力測(cè)量第38頁/共125頁399:09:57旁向式旁向式差動(dòng)電感式傳感器差動(dòng)電感式傳感器總行程： 1.5mm 測(cè)量力：0.40.7N示值變動(dòng)性：0.2m軸向式差動(dòng)電感式傳感器軸向式差動(dòng)電感式傳感器總行程： 3mm 測(cè)量力：0.450.65N示值變動(dòng)性：0.03m總行程：1.5mm 測(cè)量力：0.120.18N示值變動(dòng)性：0.05m第39頁/共125頁409:09:57軸向式差動(dòng)變壓

17、器式傳感器軸向式差動(dòng)變壓器式傳感器總行程： 100mm 線性度：0.15% 總行程： 2 7mm 測(cè)量力：0.91.2N示值變動(dòng)性：0.5m第40頁/共125頁419:09:57IW 10/101 系列；微型電感式位移，測(cè)量范圍4,5,8,10,15mm線性精度：0.5%或0.25%,外殼圓形10mm或方形25mm, 外接勵(lì)磁模塊驅(qū)動(dòng) 第41頁/共125頁429:09:58IW 120 系列: 電感式位移傳感器，測(cè)量行程12，24，60，100，150，200mm。無限分辨率，無磁滯。線性精度：0.5%或0.25%。外部激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路 第42頁/共125頁439:09:58電感式傳感器(活塞)

18、第43頁/共125頁449:09:583.4 電容傳感器電容傳感器 電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量變化的測(cè)量裝置。工作原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器。應(yīng)用范圍: :位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量。第44頁/共125頁459:09:583.4 電容式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作原理3.4.2 電容式傳感器主要性能3.4.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4 電容式傳感器等效電路3.4.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用第45頁/共125頁469:09:583.4.1 電容式傳感器的工作原理1. 工作原理

19、及類型2. 變極距型電容傳感器3. 變面積型電容傳感器4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器第46頁/共125頁479:09:581. 工作原理及類型dSdSCr0 S 極板相對(duì)覆蓋面積； d 極板間距離； r相對(duì)介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 dS第47頁/共125頁489:09:58 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S S、d d或或發(fā)生變化時(shí)，發(fā)生變化時(shí)， 電容量電容量C C也隨之變化。也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)量電就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為

20、電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為電容式傳感器可分為變極距型、變極距型、 變面積型和變介電常變面積型和變介電常數(shù)型數(shù)型三種。三種。dSdSCr0 第48頁/共125頁499:09:58 分類示意圖 c) c) 變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型b)b)面積變化型面積變化型: :角位移型角位移型, ,平面線位移型平面線位移型, ,柱面線位移型柱面線位移型. .+a) a) 極距變化型極距變化型; ;+0rSSCdd第49頁/共125頁509:09:58變極距( (d）型: (a)、(e) 變面積型(S)(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g)

21、（h） 變介電常數(shù)( )型: （i）(l)第50頁/共125頁519:09:582. 變極距型電容傳感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr若d/d103kv/mm)或塑料膜來改善電容器耐壓性能 差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度擊穿電壓:使電介質(zhì)擊穿的電壓。電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體,稱為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。 第57頁/共125頁589:09:58表1 電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù) 第58頁/共125頁599:09:58baadabdSC0aaCdabdbaadabC0dbaCaCkg0b d kg減小d 、加云母片、增大b、采用差動(dòng)結(jié)

22、構(gòu)可提高靈敏度第59頁/共125頁609:09:582. 非線性 ddddCdddCC/11001/dd將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得 3201ddddddddCC可見，輸出電容C/C0與輸入d之間成非線性關(guān)系第60頁/共125頁619:09:58C1 d1C2 d2第61頁/共125頁629:09:59dSCCCddd 02010, 21dddddd21,101011 ddCddSCCC102021 ddCddSCCC第62頁/共125頁639:09:59采用差動(dòng)形式，電容總變化量： 4202112ddddddCCCC如果采用容抗 作為電容式傳感器輸出量) /(1CjXCdSjXcddSjXc1)(

23、10dd 被測(cè)量 d與 XC 成線性關(guān)系 無需滿足第63頁/共125頁649:09:593.4.3 電容傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)1. 特 點(diǎn)2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)第64頁/共125頁659:09:59 1、電容傳感器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):(1). 溫度穩(wěn)定性好 （電容值與電極材料無關(guān)，本身發(fā)熱極小 ）(2). 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng) ，能夠承受高壓力、高沖擊、過載等情況。(3). 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小 可測(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度。可以做得很靈敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕 其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫

24、的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電,系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。第65頁/共125頁669:09:59(4). 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)第66頁/共125頁679:09:59缺 點(diǎn)：(1)、輸出阻抗高、負(fù)載能力差 傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106108 。 因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來不便。(2)、寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電

25、路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度； 另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度 。第67頁/共125頁689:09:592. 電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) (1) 減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能 (2) 消除和減小邊緣效應(yīng) (3) 消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾 (4) 盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器 第68頁/共125頁699:09:59(1)減小溫度誤差、保證高的絕緣性能 ：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上 噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)） ：選

26、用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架 ：空氣或云母 （介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0） 采用、測(cè)量電路，這樣可以通過某些類型的測(cè)量電路(如電橋)來減小溫度等誤差。 第69頁/共125頁709:09:59傳感器密封，用以防塵、防潮 傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮。 可在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)。第70頁/共125頁719:09:59(2). 消除和減小邊緣效應(yīng) 理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻

27、分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡(jiǎn)化電容量計(jì)算的一種假定。 當(dāng)考慮電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響，第71頁/共125頁729:09:59邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng) +-第72頁/共125頁739:09:59危害：靈敏度降低 產(chǎn)生非線性 第73頁/共125頁749:09:59等位環(huán) 結(jié)構(gòu) 邊 緣 電 場(chǎng)均 勻 電 場(chǎng)33211、2 電極 3等位環(huán)第74頁/共125頁759:10:00(3) 消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾。（a）屏蔽和接地 （b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時(shí)可

28、采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地 第75頁/共125頁769:10:00(4)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差提高傳感器靈敏度減小寄生電容的影響溫度、濕度等環(huán)境因素的影響第76頁/共125頁779:10:003.4.4 電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；R2由引線電阻、極板電阻；和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容 ；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；R1是極間等效漏電阻，極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗；第77頁/共125頁789:10:00低頻等效電路 傳感器電容的阻抗非常大，L和R2

29、的影響可忽略 等效電容Ce=C0+Cp， 等效電阻ReR1 R1是極間等效漏電阻第78頁/共125頁799:10:00高頻等效電路 電容的阻抗變小，L和R2的影響不可忽略，漏電的影響可忽略 ，其中Ce=C0+Cp，而ReR2 , R2由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；R2CLRCjLjCje11第79頁/共125頁809:10:00LCCCe21由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此 此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為 2222)1 ()1/(LCkdLCCdCkgee當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳

30、感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨變化而變化。 第80頁/共125頁819:10:013.4.5 電容式傳感器測(cè)量電路 (1) 調(diào)頻電路(2) 運(yùn)算放大器電路(3) 雙T型電橋電路(4) 脈寬調(diào)制電路第81頁/共125頁829:10:01(1) 調(diào)頻電路)(212101CCCCLLCfi測(cè)定頻率經(jīng)測(cè)定頻率經(jīng)鑒頻器將頻鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)成率變化轉(zhuǎn)成電壓幅值的電壓幅值的變化，就可變化，就可測(cè)得被測(cè)量測(cè)得被測(cè)量的變化的變化第82頁/共125頁839:10:01當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，)(21010CCCLfi當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為 ffCCCCLf

31、i001)(21具有較高的靈敏度，可測(cè)至具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.010.01mm級(jí)位移變化量級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng) 第83頁/共125頁849:10:01(2) 運(yùn)算放大器式電路 ：能克服變極距型電容傳感器的非線性：能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號(hào) 運(yùn)算放大器式電路原理圖第84頁/共125頁859:10:01由運(yùn)算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()dSCx/ ) (dSuCu 0假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A= ，輸入阻抗Zi=

32、 因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。 第85頁/共125頁869:10:01(3)二極管雙T型電路 第86頁/共125頁879:10:01C2C1UERLR1R2i1i2+若將二極管理想化，則正半周時(shí)，若將二極管理想化，則正半周時(shí)，VDVD1 1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VDVD2 2截止截止，電容，電容C C1 1被以極短的時(shí)間充電至被以極短的時(shí)間充電至U UE E ，電容，電容C C2 2的電壓初的電壓初始值為始值為 U UE E ，電源經(jīng)，電源經(jīng)R R1 1以以i i1 1向向R RL L供電，而電容供電，而電容C C2 2經(jīng)經(jīng)R R2 2、R RL L放電，流過放

33、電，流過R RL L 的放電電流為的放電電流為i i2 2，流過，流過R RL L 的總電流的總電流i iL L為為i i1 1 和和i i2 2的代數(shù)和。的代數(shù)和。 第87頁/共125頁889:10:01UE+i2 R1R2C1C2RL+i1 在負(fù)半周時(shí)，二極管在負(fù)半周時(shí)，二極管DD2 2導(dǎo)通、導(dǎo)通、DD1 1截止，電容截止，電容C C2 2很快被很快被充電至電壓充電至電壓U UE E；電源經(jīng)電阻；電源經(jīng)電阻R R2 2以以i i2 2 向負(fù)載電阻向負(fù)載電阻R RL L供電，供電，與此同時(shí)，電容與此同時(shí)，電容C C1 1經(jīng)電阻經(jīng)電阻R R1 1、負(fù)載電阻、負(fù)載電阻R RL L 放電，流過放電

34、，流過R RL L 的放電電流為的放電電流為i i1 1 。流過。流過R RL L的總電流的總電流i iL L 為為i i1 1 和和i i2 2 的代的代數(shù)和。數(shù)和。 第88頁/共125頁899:10:01 210CCUfKUE第89頁/共125頁909:10:02線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器 。第90頁/共125頁919:10:02 利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化，通過低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào) 。(4

35、). 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路第91頁/共125頁929:10:02循環(huán)工作C2通過VD2迅速放電至零！C1通過VD1迅速放電至零！第92頁/共125頁939:10:03平均值 =0第93頁/共125頁949:10:0412121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA第94頁/共125頁959:10:04C1、C2的充電時(shí)間：TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211lnUr：觸發(fā)器的參考電壓 設(shè)R1=R2=R，則得： 121210UCCCCU：第95頁/共125頁969:10:04設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為d1、d2和S1、S2 差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型 1

36、12120UddddU112210USSSSU特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器并具有理論上的線性特性式電容式傳感器并具有理論上的線性特性 dddddd2110UddUSSSSSS2110USSU第96頁/共125頁979:10:04采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高第97頁/共125頁989:10:043.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 (1) 電容式差壓傳感器(2) 電容式加速度傳感器(3) 電容式振動(dòng)位移傳感器第98頁/共125頁99

37、9:10:04P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1 第99頁/共125頁1009:10:05高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器電容式差壓變送器 第100頁/共125頁1019:10:05各種電容式差壓變送器外形 第101頁/共125頁1029:10:05第102頁/共125頁1039:10:05231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定極板 2殼體 3簧片 4 質(zhì)量塊 6 絕緣體 精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度 第103頁/共125頁1049:10:05第104頁/共125頁1059:10:05技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500m

38、V/g ，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz ，分辨力：0.00004g ， 重量：200g ，安裝螺紋：M5 mm ，線性誤差：1% 第105頁/共125頁1069:10:05 1 加速度測(cè)試單元 2 信號(hào)處理電路 3 襯底 4 底層多晶硅（下電極） 5 多晶硅懸臂梁 6 頂層多晶硅（上電極）第106頁/共125頁1079:10:05第107頁/共125頁1089:10:06a)a)測(cè)振幅被測(cè)物振動(dòng)電容式傳感器被測(cè)軸電容式傳感器第108頁/共125頁1099:10:06電荷平衡式位移傳感器 0RMMRCVCVRRMMCVCV可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例 已在

39、類似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工具中應(yīng)用。第109頁/共125頁1109:10:06利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位 差壓變送器差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比： p = g h第110頁/共125頁1119:10:06電容差壓變送器用電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位于測(cè)量液體的液位 投入式水位計(jì)第111頁/共125頁1129:10:06電容式液位計(jì)電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。 第112頁/共125頁1139:10:06電容式液位限位傳感器電容式液位限位傳感器

40、液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。第113頁/共125頁1149:10:06液位限位傳感器的設(shè)定液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。第114頁/共125頁1159:10:06智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈第115頁/共125頁1169:10:06加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速

41、度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。 裝有傳感器的假人氣囊第116頁/共125頁1179:10:06汽車氣囊的保護(hù)作用汽車氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 第117頁/共125頁1189:10:06利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn) 延時(shí)延時(shí)起爆的鉆地炸彈起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置第118頁/共125頁1199:10:06 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳

42、感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。 第119頁/共125頁1209:10:06濕敏電容濕敏電容外形外形吸水高分子薄膜第120頁/共125頁1219:10:06濕敏電容模塊及傳感器外形濕敏電容模塊及傳感器外形第121頁/共125頁1229:10:06濕敏電容傳感器的安裝使用濕敏電容傳感器的安裝使用帶報(bào)警器的家庭使用型第122頁/共125頁1239:10:06指紋識(shí)別指紋識(shí)別n指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為

43、第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)小，因此非常適合在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用。類電子產(chǎn)品中使用。n右圖為指紋經(jīng)過處理后的右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖：成像圖：第123頁/共125頁1249:10:06 指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬個(gè)金屬指紋識(shí)別所需電容傳感器包含一個(gè)大約有數(shù)萬個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/ /絕緣物絕緣物/ /皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。第124頁/共125頁1259:10:06感謝您的觀看！第125頁/共125頁