[工学]第三章 电参量传感.ppt

第三章 电参量传感器 3.1 电容式传感器 3.1.1 电容式传感器结构与工作原理 1.变极距型电容传感器 （1）简单变极距型电容传感器 ★原理； 一般在最大位移小于间距的1/10时，C与△δ成线性关系。 ★灵敏度； ★容抗输出 （2）差动变间隙式电容传感器 ★原理 ★灵敏度 ★非线性误差 2.变面积型电容传感器 ★类型：平板电容器，圆柱形电容器，角位移电容器，容栅式电容器。 变介电常数型电容传感器 （1）介质本身介电常数变化的电容传感器 （2）改变工作介质的 电容式传感器 3.3.2 电容式传感器的等效电路 C：传感器电容（包含寄生电容）； R：引线电阻、极板电阻和金属支架电阻； L：引线电感和电容器电感之和； RP:极板间的等效损耗电阻。 3.3.3 电容式传感器的测量电路 调频电路、运算放大器电路、双T型电桥电路和差动脉宽调制电路 1.调频电路 2. 运算放大器电路 3.二极管双T型电桥电路 4.脉冲宽度调制电路 1.电容式差压传感器 2.差动式电容测厚传感器 3.2 电感式传感器 ★常用来测量位移、压力、振动、应变、流量和比重等参数。 ★自感式（变气隙式、变截面积式和螺管式）；互感式(变气隙式和螺管式)；电涡流式（高频反射式、低频透射式）。 ★优点：结构简单，工作可靠，灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好，性能稳定，输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强。 缺点：频率响应较低，不宜作快速动态测量；存在交流零位信号，灵敏度、分辨率、线性度和测量范围受限。 3.2.1 自感式传感器 1 结构与工作原理 2. 变气隙自感传感器灵敏度及特性 （1）简单变气隙自感传感器灵敏度及特性 （2）差动变气隙式自感传感器灵敏度及特性 3.变面积式电感传感器 4.电感式传感器测量电路 变压器电桥电路；相敏检波电路；谐振电路等。 （1）变压器电桥电路 （2）带相敏检波的电桥电路 电压特性曲线 （3）调频电路 3.电感式传感器应用 （1）压力测量 （2）差动式电感测厚仪 3.2.2 互感式传感器 差动变压器：变间隙式；变面积式；螺线管式。 具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠。 用于位移、压力等的测量 1.互感式传感器的结构与工作原理 2.基本特性 （1）等效电路 (3)频率特性 频率过低，差动变压器灵敏度低； 频率过高，差动变压器铁损、磁滞、涡流效应增加，也影响灵敏度。 （4）线性范围 测量范围为骨架长度的1/10。 （5）零点残余电压 原因：①两个二次测量线圈的等效参数不对称； ②铁芯的B-H特性曲线的非线性。 措施：增加补偿电路 3.测量电路 （1）差动整流电路 （2）相敏检波电路 4.差动变压器的应用 （1）微压力传感器 （2）差动变压器式加速度传感器 3.2.3 电涡流式传感器 主要学习电涡流式传感器的原理及应用，并涉及接近开关的原理、结构、特性及应用 涡流的名词解释 涡流大小的影响因素 金属体的电阻率ρ 磁导率μ 厚度t 线圈与金属体的距离X 线圈的激励频率f （四）涡流传感器的特点 对位移、厚度、材料缺陷等实现非接触式连续测量； 动态相应好； 灵敏度高 （五）常见涡流式传感器原理 高频反射式涡流传感器； 低频透射式涡流传感器。 1.　高频反射式涡流传感器 （1）基本工作原理 Z=F（ ρ,μ,r,f,x ） ρ—金属板电阻率 μ- 磁导率 r- 线圈半径 f- 线圈激励频率 x- 与金属板距离 （2）等效电路分析 关于等效阻抗的分析 ★线圈阻抗的实部增大：涡流损耗、磁滞损耗 ★等效阻抗的虚部（等效电感）： （1）L1与被测导体的磁性有关； （2）反射电感随着距离的减少而增大。 总之，被测量的变化将引起线圈电感L，阻抗Z的变化，通过测量电路将L,Z转变为电信号。 （3）传感器的结构 （4）被测体材料对谐振曲线的影响 （5）测量方法 定频调幅法 2.低频透射式涡流传感器 （1）基本原理 涡流损耗了部分磁场的能量，使达到L2的磁力线减少，引起E的下降。M的厚度t越大，涡流损耗越大，E就越小。E的大小间接反映M的厚度。 ★t较小时，f较高即渗透深度较小的曲线斜率大 ★t较大时，相反。 因此对于测量薄板，应采取较高的f，反之亦然。 对于一定的频率f，当被测材料的电阻率发生变化时，渗透深度也发生改变，为了测量不同电阻率材料所得的曲线形状相似，需要在ρ变化时相应变化f，保证测量不同材料的线性度和灵敏度。 （六）应用实例 一、板厚测量 3.3 电阻式传感器 分类：电阻应变式、压阻式、热电阻式、光敏电阻式。 应用：应变、压力、位移、加速度和温度等。 3.3.1 应变式传感器 种类：电阻丝应变片和半导体应变片 1.电阻丝的应变效应 金