高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感課件

1、高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感第四章 電容式傳感器高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感 優(yōu)點：測量范圍大靈敏度高動態(tài)響應(yīng)時間短機(jī)械損失小結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強寄生電容影響大具有非線性輸出（變間隙式） 缺點：高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理平板電容同軸圓柱型電容高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感第二節(jié) 電容式傳感器的類型及特性變面積式高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感變極距式 單極式變極距型高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感差動式變極距型高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感固定介質(zhì)變極距型高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感變介質(zhì)型高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電容式厚度傳感器高等教

2、育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感v電容傳感器的等效電路第三節(jié) 電容傳感器的測量電路分析CjLjCje11LCCCe21高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感交流電橋v電容傳感器的測量電路112312412212()()(1)(1)()()(1)SCZZZZUEZZZZZZZZEZZ高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感11222(1)(1)SCZZZZAAAUEKEA令 為傳感器阻抗相對變化值；A=為橋臂比，K=為橋臂系數(shù)則：121111122jjjZCdZCdZ eZeZZ e一般可有如下關(guān)系： 故：A=高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感222(1)()je 21-121+A所以：K=k=f( , )(1+A)

3、則：k=f( , )1+2 cos +cos=actanf( , )21+cos高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感變壓器式電橋EZZZZZZZZU4321324102,2,1,1432112EZEZCjZCjZ式中：2121211221202221CCCCEZZZZEEEZZZUZL設(shè)高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感ddACddACCC00200121;:,差動工作02 ddUEO即輸出電壓0U與位移d成線性關(guān)系高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感正負(fù)半周分析：正負(fù)半周分析：正半周：C1充電，電流順時針；C2放電，電流逆時針負(fù)半周：C2充電，電流逆時針；C1放電，電流順時針若C1=C2，則電流抵消，

4、若C1C2，則RL有信號輸出LTLLoRdttItITRIU)()(1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi 二極管雙T形交流電橋高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感脈沖調(diào)制電路1212112121UCCCCUTTTTuuuBAAB高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感 調(diào)頻電路特點：特點：n轉(zhuǎn)換電路生成頻率信號，可遠(yuǎn)距離傳輸不受干擾。n具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01m級位移變化量。n但非線性較差，可通過鑒頻器（頻壓轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)化為電壓信號后，進(jìn)行補償。高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感運算放大器電路+-uiu0C0Cx0sxoCj1Cj1UUx0soCCUUdSC

5、UU0so高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感第三節(jié) 電容傳感器的誤差分析溫度的影響邊緣效應(yīng)的影響寄生電容、分布電容的影響高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感 溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極板間隙很小而對結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感 在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極板間隙發(fā)生較大的相對變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。 在設(shè)計電容式傳感器時，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實現(xiàn)溫度誤差的補償。 溫度對介質(zhì)的影響溫度對介質(zhì)的影響溫度對介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而變化，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零，而某些液體介質(zhì)，如硅油、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系

6、數(shù)較大。例如煤油的介電常數(shù)的溫度系數(shù)可達(dá)0.07%/，若環(huán)境溫度變化，則將帶來7%的溫度誤差，故采用此類介質(zhì)時必須注意溫度變化造成的誤差。 溫度影晌溫度影晌高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)當(dāng)極板厚度與極距之比相對較大時，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。危害：邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。消除措施：1.增大初始電容 2.加裝等位環(huán) 帶有保護(hù)環(huán)的電容傳感器原理結(jié)構(gòu)高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感寄生電容的影響寄生電容的影響產(chǎn)生原因：極板與周圍物體及電纜本身均產(chǎn)生電容，與傳感器電容相并聯(lián)，嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性。消除措施：消除措施：1.整體屏蔽法 整體屏蔽的關(guān)鍵在

7、于正確選取接地點。整體屏蔽法是一種較好的方法，但將使總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。但仍存在問題：(1)當(dāng)屏蔽線很長，其本身電容很大，且大于傳感器電容量，導(dǎo)致傳感器靈敏度下降；(2)電纜電容量因放置位置和形狀的不同而不同，造成傳感器特性不穩(wěn)定。高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感 一種等電位屏蔽法，是解決電纜電容影響問題的有效辦法。在電容傳感器與測量電路的前置級之間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為1的驅(qū)動放大器。優(yōu)點：消除了芯線對內(nèi)屏蔽層的容性漏電，克服了寄生電 容的影響；驅(qū)動放大器是一個輸入阻抗很高、具有 容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。缺點：要在很寬的頻帶上嚴(yán)格實現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸出 與輸入的相移為零。

8、2.驅(qū)動電纜法 驅(qū)動電纜法原理高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感器高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電容式傳感器醫(yī)學(xué)應(yīng)用高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感第五章 電感式傳感器高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電感式傳感器 應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，將非電量參數(shù)如：位移、壓力、應(yīng)變、流量等轉(zhuǎn)換成電感量的變化，然后通過相應(yīng)的測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流形式輸出，實現(xiàn)非量電測的一種裝置。主要包括線圈、鐵芯和活動銜鐵三個部分。高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電感式傳感器的主要分類自感式互感式（差動變

9、壓器式）電渦流式高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感F36V交流毫安表交流毫安表交流電壓源交流電壓源交流接觸器線圈交流接觸器線圈自感式電感傳感器高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感 氣隙變小，電感變大，電流變小自感傳感器的基本工作原理演示高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感自感式電感傳感器（氣隙型和螺線管型）簡單自感式123圖4-1 變間隙型電感傳感器1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵321圖4-2 變面積型電感傳感器1-銜鐵 2-鐵芯 3-線圈氣隙型電感傳感器螺線管型電感傳感器123圖4-1 變間隙型電感傳感器1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵r2ra1圖4-4 螺管型電感傳感器1-線圈 2-銜鐵a變氣隙厚度型b變

10、氣隙面積型高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感差動自感式在變隙式差動電感傳感器中，在變隙式差動電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，感量一個增加，一個減小，形成差動形式。形成差動形式。 兩只完全對稱的簡單自感傳感器合用一個活動銜鐵就構(gòu)成了差動自感傳感器。高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感互感式電感傳感器 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為線圈互感的變化，其工作原理類似變壓器，但其副邊接成差動式，故又稱為差動變壓器式傳感器。高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感一

11、次繞組的電流為： 二次繞組的感應(yīng)動勢為 由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢: 11.11.LjRUI.1121.IMjE.1222.IMjE11.1212.)(LjRUMMjE21211212)()(LRUMME1222212111,INMINM高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電渦流式傳感器電渦流當(dāng)通過金屬體的磁通量變化時，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的。渦流效應(yīng)電渦流的產(chǎn)生消耗一部分能量，使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感 電渦流使通電線圈的等效阻抗發(fā)生變化，線圈等效阻抗的變化反映了金屬導(dǎo)體的渦流效應(yīng)。 電渦流

12、效應(yīng)與被測金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。通過電路可將被測金屬參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。 電渦流傳感器根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。),(xfIrfZZ:高頻渦流傳感器線圈阻抗 :電導(dǎo)率:導(dǎo)磁率 r：線圈半徑等幾何尺寸I:線圈電流 f:頻率 x:距離高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電感式傳感器測量電路高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感浮子的位移變成電量：液位升高，液體對浮子的浮力F，破壞平衡狀態(tài)。浮子上升，鐵心上移，電感變化，輸出信號改變。自感式傳感器測液位電感式傳感器應(yīng)用高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容

13、和電感位移測量儀 位移測量包含：偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。數(shù)顯位移測量儀及探頭數(shù)顯位移測量儀及探頭電感式傳感器應(yīng)用高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感測轉(zhuǎn)速 若轉(zhuǎn)軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計算公式為 60fnz電感式傳感器應(yīng)用高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈電渦流的應(yīng)用 電磁爐電感式傳感器應(yīng)用高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。食物。電磁爐的工作原理電磁爐的工作原理電感式傳感器應(yīng)用高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感電渦流的應(yīng)用 大直徑電渦流探雷器 電感式傳感器應(yīng)用高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電容和電感封口機(jī)市場上自動封口機(jī)，利用電渦流原理。待封口位置含鋁，檢測到封口位置時，電渦流效應(yīng)產(chǎn)生熱量，實現(xiàn)封口。間隙越大，電渦流越小電感式傳感器應(yīng)用高等教育生物醫(yī)學(xué)傳感器電