第3章常用传感器3-1-济南大学.PPT

第三章 常用传感器 济南大学机械工程学院 机械工程测试技术基础 本章学习要求： 1.了解传感器的分类 　　　 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路 3.4 电容式传感器 3.1 概述 3.2 电阻式传感器 3.3 电感式传感器 3.5 压电式传感器 3.6 磁电式传感器 3.7 半导体敏感元件传感器 3.8 其它类型传感器 3.9 传感器选用原则 3.4 电容式传感器 P79 capacitive sensor 1.变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化 object 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:plate electrodes + + + ? A ? 当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。Dielectric constant 第三章 常用传感器 相对介电常数，空气中为1 极板面积 真空介电常数 极板间距离 Dielectric constant 2 分类 3.4 电容式传感器 a) 极距变化型polar distance + + + 为减少线性误差，一般取极距变化范围 3.4 电容式传感器 b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型 3.4 电容式传感器 c) 介质变化型medium 变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。 3.4 电容式传感器 若忽略边缘效应，图a、图b、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为: 式中:δ、h 、ε0—— 两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数； δx、hx、ε—— 被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数； l、b、ax—— 固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）； r1、r2—— 内、外极筒的工作半径。 案例:液面高度测量 3 测量电路 3.4 电容式传感器 a) 电桥电路 电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，下图所示为一种由电感、电容组成的电桥。电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。 3.4 电容式传感器 b) 谐振电路 右图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路(L2、C2、Cx)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。 为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。 这种电路的优点是比较灵活；缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求振荡器的频率具有很高的稳定性 3.4 电容式传感器 c)调频电路 传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化时，振荡器的振荡频率将发生变化，频率的变化经过鉴频器转换为电压的变化，经过放大处理后输入显示或记录等仪器。（课本P82 图3-18） 3.4 电容式传感器 运算放大器电路 P83 Operational amplifier 前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的电容，输入电路采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。 4 应用 3.4 电容式传感器 案例1：电容传声器 案例2:转速测量 3.4 电容式传感器 动手做： 观察你计算机上使用的麦克风，并用它测量你自己的声音，绘出频谱。 济南大学机械工程学院