检测技术下篇6章下.ppt

第六章 电参数传感器 ——电阻、电容、电感 电阻应变传感器 热电阻传感器 自感传感器 差动变压器 涡流传感器 电容传感器 光电阻传感器 电感式传感器的工作基础：电磁感应 即利用线圈自感或互感的改变来实现非电量的测量 带相位的交流输出电压检测方法 相敏检波电路 相敏整流电路 差动整流电路 零点残余电压 输出信号无法调零（即实部与虚部无法同时调节至零） 产生原因： 两个传感器结构上的不对称； 寄生参数的影响； 高次谐波的影响； 等等 6.5 涡流传感器 原理 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。 由涡流式传感器的工作原理可知，被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质因数Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出。 桥路 谐振调幅 谐振调频 特点：非接触测量 测量： 位移x：位移、厚度、振动、转速 电阻率ρ：温度、材料判别等 磁导率μ：应力、硬度 综合：探伤 交流激励法调幅电路 1、电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量可表示为: 被测参数变化使得S、 d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。 　　如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量的输出。 　　由此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。 电容式传感元件的各种结构形式 1 变极距型电容传感器 当传感器的εr和S为常数，初始极距 为d0时，其初始电容量C0为： 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd， 电容量增大了ΔC，则有： 电容量与极板间距离的关系 上式中，若Δd/d01时，则可展成级数： 此时C与Δd近似呈线性关系。变极距型电容传感器只有当Δd/d0很小时才有近似的线性关系。 显然，d0越小对于同样的Δd变化，ΔC越大，因而可提高传感器灵敏度。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路，为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质, 如图所示，此时电容C变为： 式中：εg为云母的相对介电常数，εg=7； ε0为空气的介电常数，ε0=1； d0——空气隙厚度； dg——云母片的厚度。 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此加上云母片，极板间起始距离可大大减小。 一般变极距式电容传感器的起始电容在20~100pF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。 2 变面积型电容式传感器 　　被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为 式中C0=ε0εr ba/d为初始电容。 则电容的相对变化量为： 这种形式的传感器的电容量C与水平位移Δx呈线性关系。 电容式角位移 传感器原理图 当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时有： 当θ≠0时有： 从上式可以看出，传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。 3 变介质型电容式传感器 　此时传感器电容值为： 式中： C0为由传感器的基本尺寸决定的初始电容值, 即 可见：此传感器的电容增量正比于被测液位高度h。 电容式液位变换器 结构原理图 　　图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量C可表示为: 另一种形式的 变介质型电容式传感器 若电介质εr1=1, 当L=0时，传感器初始电容C0=ε0εrL0b0/d0。 当被测介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 可见，电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。 表5-1 电介质材料的相对介电常数 2 电容式传感器的灵敏度及非线性 由前述可知,电容的相对变化量为: 当|Δd/d0|1时，按级数展开，可得 可见，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间成非线性关系，当|Δd/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系： 电容传感器的灵敏度定义为: 即：单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小（即灵敏度）与d0呈反比关系。 如果考虑级数展开式中的线性项与