bP电感电容压电传感器.pptx

第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用1一一、自感式传感器自感式传感器1 1、变气隙式、变气隙式变气隙式自感传感器由线圈、铁心和变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上,衔铁衔铁和铁心间有一气隙和铁心间有一气隙。线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁分分变气隙式变气隙式、变面积式变面积式、螺旋管式螺旋管式三类三类 见图见图4-44-4线圈线圈自感量自感量L为：为：线圈匝数线圈匝数磁路总磁阻磁路总磁阻(4-14)第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用2由由于于很很小小，可可认认为为气气隙隙磁磁场场是是均均匀匀的，的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为若忽略磁路的铁损，则总磁阻为线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁线圈线圈自感量自感量L为：为：线圈匝数线圈匝数磁路总磁阻磁路总磁阻(4-14)铁芯导磁长度铁芯导磁长度铁芯磁导率铁芯磁导率铁芯截面积铁芯截面积空气磁导率空气磁导率气隙长度气隙长度气隙截面积气隙截面积(4-15)亨亨/米米第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用3这这种种传传感感器器适适用用于于较较小小位位移移的的测测量量，测测量量范范围围约在约在0.0011mm左右。左右。由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略 传感器传感器灵敏度：灵敏度：(4-16)(4-17)第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用42 2、变面积式、变面积式3、螺管式、螺管式特特点点：灵灵敏敏度度比比变变气气隙隙型型的的低低，但但其其灵灵敏敏度度为为一一常常数数，因因而而线线性性度度较较好好，量量程程范范围围可可取取大大些些，自自由由行行程程可可按按需需要要安安排排，制制造装配也较方便，因而应用较为广泛。造装配也较方便，因而应用较为广泛。铁芯铁芯线圈线圈衔铁衔铁 原原理理：气气隙隙长长度度不不变变，铁铁心心与与衔衔铁铁之之间间相相对对而而言言覆覆盖盖面面积积随随被被测测量量的的变变化化而而改改，导致线圈的电感量发生变化，导致线圈的电感量发生变化，铁芯铁芯线圈线圈原原理理：衔衔铁铁随随被被测测对对象象移移动动，线线圈圈磁磁力力线线路路径径上上的的磁磁阻阻发发生生变变化化，线线圈圈电感量也因此而变化。电感量也因此而变化。特特点点：灵灵敏敏度度更更低低，但但测测量量范范围围大大，线线性性也也较较好好，同同时时还还具具备备自自由由行行程程可可任任意意安安排，制造装配方便等，其应用比较广泛。排，制造装配方便等，其应用比较广泛。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用5以以上上三三种种类类型型的的自自感感式式传传感感器器在在实实际际应应用用时时，一一般般由由两两单单一一结结构构对对称称组组合合，构构成成差差动动式式自自感感传传感感器器。采采用用差差动动式式结结构构除除了了可可以以改改善善非非线线性性，提提高高灵灵敏敏度度外外，对对电电源源电电压压及及温温度度变变化化等等外外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。差动式电感传感器差动式电感传感器(a)变间隙型变间隙型(b)变面积型变面积型(c)螺管型螺管型1线圈线圈2铁芯铁芯3衔铁衔铁4到杆到杆(a)(a)(b)(b)(c)(c)第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用6二、差动变压器式传感器二、差动变压器式传感器差差动动变变压压器器式式传传感感器器是是把把被被测测量量的的变变化化转转换换成成互互感感系系数数M的的变变化化。传传感感器器本本身身是是互互感感系系数数可可变变的的变变压压器器。因因为为它它是是基基于于互互感感变化的原理，故也称为变化的原理，故也称为互感式互感式传感器。传感器。EwEoutEW1EW2WW1W2Esx-x输输出出电电压压Eout=EW1-EW2，当当铁铁芯芯在在中中央位置时，央位置时，EW1=EW2。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用7单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型传感器测量电路传感器测量电路第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用8差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用9案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用10案例：案例：张力测量张力测量第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用11三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器原原理理:将将金金属属导导体体置置于于变变化化的的磁磁场场中中，导导体体内内就就会会产产生生感感应应电电，这种电流的流线在导体内自行闭合，称为这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应电涡流效应。高频交高频交变电流变电流线圈线圈交变磁交变磁通通电涡流电涡流交变磁交变磁通通1使原线圈的等效阻抗使原线圈的等效阻抗 Z 发生变化发生变化第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用12原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：金属板的金属板的电阻率电阻率金属板的金属板的磁导率磁导率线圈与金属线圈与金属板的距离板的距离线圈激励线圈激励角频率角频率第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用13第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用14案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用15第三节第三节 电容式传感器电容式传感器原理：将被测量的变化转化为电容量变化。原理：将被测量的变化转化为电容量变化。两两平平行行极极板板组组成成的的电电容容器器,它的电容量为它的电容量为:+A 介电常数介电常数两两 极极 板板 相相互互 覆覆 盖盖 的的面积面积极板间的距离极板间的距离极距变化型极距变化型面积变化型面积变化型介电常数变化型介电常数变化型电容式传感器的三电容式传感器的三种类型：种类型：(4-18)r相对介电常数相对介电常数，空气的空气的相对介电常数相对介电常数 r=1真空的介电常数真空的介电常数 0=8.8510-12F/m介电常数介电常数=r 0第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用16相对介电常数相对介电常数 第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用171.1.极距变化型极距变化型+灵敏度灵敏度(4-19)第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用18驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷表面永久地驻有极化电荷，取，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。最大的最大的应小于极板间距应小于极板间距的的1/51/10。因此极距变化型电。因此极距变化型电容传感器的量程范围在容传感器的量程范围在0.01um数百数百um。为了提高灵敏度和。为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式。灵敏度可改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式。灵敏度可提高一倍。提高一倍。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用192.2.面积变化型面积变化型在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移型两种。图为直线位移型。当动极板沿移型两种。图为直线位移型。当动极板沿x方向移动方向移动时，动、静极板覆盖面积发生变化，电容量也随之变时，动、静极板覆盖面积发生变化，电容量也随之变化。化。xb其电容量其电容量灵敏度灵敏度=常数常数(4-20)输入与输出成线性关系输入与输出成线性关系(4-21)第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用20+角位移型角位移型r r(a)平面线位移型平面线位移型(c)圆柱体线位移型圆柱体线位移型(b)角位移型角位移型第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用21角位移型角位移型+覆盖面积覆盖面积(4-22)+r r所以，所以，电容量电容量灵敏度灵敏度=常数常数(4-23)(4-24)第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用22面面积积变变化化型型线线性性度度好好，但但灵灵敏敏度度低低，故故适适用用于于较较大大位位移的测量。移的测量。柱面线位移型柱面线位移型.电容量电容量灵敏度灵敏度=常数常数第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用233.3.介电常数变化型介电常数变化型这种类型的传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。这种类型的传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用24两圆筒间为空气介质的电容为：两圆筒间为空气介质的电容为：空气的介电常数空气的介电常数电极长度电极长度内电极外半径内电极外半径外电极内半径外电极内半径如如果果电电极极的的一一部部分分被被非非导导电电性性液液体体所所浸浸没没时时，则则会会有有电电容容量量的的增增量量C C产生产生液体的介电常数液体的介电常数液体浸没长度液体浸没长度图4-10液位测量示意图真空的介电常数真空的介电常数 0=8.8510-12F/m介电常数介电常数 2=r2 0(4-25)(4-26)第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用25 如如果果被被测测介介质质为为导导电电性性液液体体，内内电电极极要要用用绝绝缘缘物物（如如聚聚乙乙烯烯）覆覆盖盖作作为为中中间间介介质质，而而液液体体和和外外圆圆筒筒一一起起作作为为外外电电极极。此此时时两两极间的电容量为：极间的电容量为：中间介质的介电常数中间介质的介电常数绝缘覆盖层外半径绝缘覆盖层外半径液体浸没长度，即电极长度液体浸没长度，即电极长度 电电容容传传感感器器的的转转换换电电路路主主要要有有：电电桥桥型型电电路路，谐谐振振电电路路，调调频电路，运算放大器电路频电路，运算放大器电路等。等。电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等 影影响响测测量量精精度度的的主主要要因因素素：电电路路寄寄生生电电容容、电电缆缆电电容容和和温温度度、湿湿度度等等外外界界干干扰扰。以以往往减减小小这这些些干干扰扰的的措措施施成成本本很很高高，但但随随着着集集成成电电路路技技术术的的发发展展和和工工艺艺的的进进步步，已已使使上上述述因因素素的的影影响响大大为为减小，为减小，为电容传感器的应用开辟了广阔的前景。电容传感器的应用开辟了广阔的前景。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用26产品产品.电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/料位计）料位计）第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用27电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化.接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用28第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用29第四节第四节 压电式传感器压电式传感器一一、压电效应压电效应某某些些材材料料（如如石石英英），当当沿沿着着一一定定方方向向受受到到外外力力作作用用时时，不不仅仅产产生生机机械械变变形形，而而且且内内部部会会被被极极化化，表表面面产产生生电电荷荷；当当外外力力去去掉掉时时，又又重重新新回回到到原原来来的的状状态态，这这种种现象称为现象称为压电效应压电效应。相相反反，在在这这些些材材料料的的某某些些方方向向上上施施加加电电场场，它它会会产产生生机机械械变变形形，当当去去掉掉外外加加电电场场后后，变变形形随随之之消消失失，这这种种现象称为现象称为逆压电效应逆压电效应或或电致伸缩效应电致伸缩效应。二、二、压电材料及其特性压电材料及其特性常常用用的的压压电电材材料料大大致致有有三三类类：压压电电单单晶晶、压压电电陶陶瓷瓷和和新型压电材料新型压电材料。压力压力 压电材料压电材料 产生电荷产生电荷 第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用301、压电单晶压电单晶压压电电单单晶晶为为单单晶晶体体，各各向向 异异 性性。主主 要要 有有 石石 英英（Si02）、铌铌酸酸锂锂（LiNb03）等）等石石英英晶晶体体有有天天然然与与人人工工之之分分，是是压压电电单单晶晶体体中中最最具具代代表表性性的的。石石英英晶晶体体呈呈六六角角棱棱柱柱体体。有有光光轴轴（中中性性轴轴）、电轴电轴和和机械轴机械轴。光光轴轴z纵纵轴轴线线，沿沿该该轴轴方方向向无压电效应。无压电效应。光轴光轴电电轴轴x通通过过六六角角棱棱柱柱的的棱棱而而垂垂直直于于光光轴轴的的轴轴。在在垂垂直直于于此此轴轴的平面上压电效应最强。的平面上压电效应最强。电轴电轴机机械械轴轴y垂垂直直于于棱棱面面的的y轴轴，在在电电场场作作用用下下，沿沿该该轴轴的的机机械械变变形最明显。形最明显。机械轴机械轴第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用31zxyFxFx+-zxyFyFy +-zxyFyFy -+纵纵向向压压电电效效应应沿沿x轴轴受受力力产产生生的的压压电电效效应应；横横向向压压电电效效应应沿沿y轴轴受力产生的压电效应；受力产生的压电效应；切向压电效应切向压电效应沿切向受力产生的压电效应沿切向受力产生的压电效应 从从晶晶体体上上沿沿各各轴轴线线切切下下一一片片平平行行六六面面体体切切片片，当当受受到到力力的的作作用用时时，其其电荷分布在垂直于电荷分布在垂直于x x轴的平面上。轴的平面上。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用32由纵向压电效应产生的电荷量由纵向压电效应产生的电荷量q为：为：作用力作用力纵向压电常数纵向压电常数石英晶体：石英晶体：压电常数比较低，压电常数比较低，d11=2.3110-12C/N良好的机械强度和时间及温度稳定性。良好的机械强度和时间及温度稳定性。适用于精确度和稳定度要求特别高的场合。适用于精确度和稳定度要求特别高的场合。铌铌酸酸锂锂晶晶体体：是是人人工工拉拉制制晶晶体体。居居里里点点高高（12000C)，适适用用于于做做高温传感器；缺点：质地脆，抗冲击性差，价格较贵高温传感器；缺点：质地脆，抗冲击性差，价格较贵2、压电陶瓷压电陶瓷压压电电陶陶瓷瓷是是一一种种经经极极化化处处理理后后的的人人工工多多晶晶体体。如如钛钛酸酸钡钡、锆钛酸钡。锆钛酸钡。压电陶瓷特点：压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏度高，价格低廉，居里点较低压电系数大，灵敏度高，价格低廉，居里点较低第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用333、新型新型压电材料压电材料（1）有机压电薄膜）有机压电薄膜某某些些合合成成高高分分子子聚聚合合物物，经经延延展展拉拉伸伸和和电电场场极极化化后后形形成成具具有有压压电特性的薄膜。电特性的薄膜。如聚偏氟乙烯（如聚偏氟乙烯（PVF2)、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVF)等。等。特特点点：柔柔软软，不不易易破破碎碎，面面积积大大等等。可可制制成成大大面面积积阵阵列列传传感感器器和机器人触觉传感器。和机器人触觉传感器。（2）压电半导体）压电半导体有有些些材材料料，如如硫硫化化锌锌（ZnS)、氧氧化化锌锌（ZnO)、硫硫化化钙钙(CaS)、砷砷化化镓镓（GaAs)等等，既既具具有有半半导导体体特特性性，又又有有压压电电特特性性。因因此此，既既可可利利用用压压电电性性能能制制作作敏敏感感器器件件，又又可可利利用用半半导导体体特特性性制制成成电电路路器件，研制成新型集成压电传感器。器件，研制成新型集成压电传感器。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用34三、等效电路三、等效电路蒸蒸镀镀金金属属形成电极形成电极晶晶片片两两表表面面相相当当于于电电容器的两个极板容器的两个极板F+-两两极极板板之之间间的的压压电电材材料等效于电介质料等效于电介质因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为极板面积极板面积压电材料的介电常数压电材料的介电常数压电晶片的厚度压电晶片的厚度压压电电元元件件可可等等效效为为一一个个具具有有一一定定电电容容的的电电荷荷源源。电电容容器器上上的的开开路电压路电压U0为为压电元件上所产生的电荷量压电元件上所产生的电荷量第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用35+并联：适于测缓并联：适于测缓变信号和以电荷变信号和以电荷为输出量的场合为输出量的场合+当当压压电电式式传传感感器器接接入入测测量量电电路路，连连接接电电缆缆的的寄寄生生电电容容形形成成传传感感器器的的并并联联寄寄生生电电容容Cc，传传感感器器中中的的漏漏电电阻阻和和后后继继电电路路的的输输入阻抗形成泄漏电阻入阻抗形成泄漏电阻R0，等效电路为：，等效电路为：R0CcqCa由由于于后后继继电电路路的的输输入入阻阻抗抗不不可可能能为为无无穷穷大大，而而且且压压电电元元件件本本身身也也存存在在漏漏电电阻阻，极极板板上上的的电电荷荷由由于于放放电电而而无无法法保保持持不不变变，从从而而造造成成测测量量误误差差。因因此此，不不宜宜利利用用压压电电式式传传感感器器测测量量静静态态或或准静态信号，而适宜做动态测量准静态信号，而适宜做动态测量。压压电电晶晶片片有有方方形形、圆圆形形、圆圆环环形形等等各各种种，而而且且往往往往是是两两片片或多片进行串联或并联。或多片进行串联或并联。串联：适于测高串联：适于测高频信号和以电压频信号和以电压为输出量的场合为输出量的场合第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用36四、测量电路四、测量电路输输出出电电荷荷量量很很小小，且且压压电电元元件件本本身身的内阻很大的内阻很大压电式压电式传感器传感器高输入阻抗高输入阻抗前置前置放大器放大器输出电压输出电压或电荷或电荷电压电压放大器放大器电荷电荷放大器放大器可可采采用用比比例例放放大大器器。电电路路简简单单，但但输输出出受受到到连连接电缆对地电容的影响接电缆对地电容的影响目前常用目前常用U Uy yU Ui i传感器电容传感器电容电缆电容电缆电容放大器输入电容放大器输入电容电电荷荷放放大大器器：高高增增益益带带电容反馈的运算放大器电容反馈的运算放大器第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用37如果电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压为如果电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压为可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与电缆电容无关。电缆电容无关。压压电电式式传传感感器器动动态态特特性性好好、体体积积小小、重重量量轻轻，常常用用来来测测量量动动态态力力、压压力力，特特别别是是测测量量振振动动加加速速度度的的惯惯性性拾拾振振器器大大多多采采用用压压电电式传感器。式传感器。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用38产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用39案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用40*1一电容传感器，其圆形极板一电容传感器，其圆形极板r=5mm。工作初始间隙。工作初始间隙0=0.3mm，问：，问：1)工作时如果传感器的工作间隙变化工作时如果传感器的工作间隙变化=2m，则电容变化量是多少，则电容变化量是多少?2)如果测量电路灵敏度如果测量电路灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表灵敏度，读数仪表灵敏度S2=5格格/mV，在，在=2m时，时，读数仪表的指示值变化多少格读数仪表的指示值变化多少格(0=8.8510-12F/m)?*2用结构参数为长用结构参数为长L=100mm，宽，宽b=20mm，间隙，间隙=2mm的线位移电容的线位移电容传感器，测量位移量传感器，测量位移量x=40m的变的变化，试求：化，试求：1)电容变化量是多少电容变化量是多少?2)若测量电路灵敏度若测量电路灵敏度S1=100mV/pF，光线示波器灵敏度光线示波器灵敏度S2=5格格/mV，则在，则在记录纸上的指示值是多少格记录纸上的指示值是多少格?题4.8图 直线位移式第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用41*3某工厂采用图某工厂采用图4.35所示的电容传感器来测量储液罐中所示的电容传感器来测量储液罐中的绝缘液体的液位。已知，内圆管的外径为的绝缘液体的液位。已知，内圆管的外径为10mm，外圆，外圆管的内径为管的内径为20mm，高度，高度h=3m。被测介质为油，其相对。被测介质为油，其相对介电常数介电常数r=2.3，测得总电容量为，测得总电容量为401pF，求液位，求液位H。若储。若储油罐的内径油罐的内径D=3m，油的密度，油的密度=800kg/m3，求这时储油罐，求这时储油罐中油的总量中油的总量。第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用42*有一平面直线位移型差动电容传感器，其测量电路采用变有一平面直线位移型差动电容传感器，其测量电路采用变压器交流电桥，结构组成如图所示。电容传感器初始时压器交流电桥，结构组成如图所示。电容传感器初始时bl=b2=b=20mm，al=a2=a=10mm，极距，极距d=2mm，极间介质为空，极间介质为空气，测量电路中气，测量电路中ui=3sint，且，且u=ui。试求当动极板上输入一位。试求当动极板上输入一位移量移量x=5mm时，电桥的输出电压。时，电桥的输出电压。电桥电桥