機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)3-2-文檔資料

1、上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院第三章、常用傳感器第三章、常用傳感器3.3 3.3 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理，它是把被，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類分類: :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院3.3 電感式傳感器電感式傳感器1 1 ，自感型，自感型-（1 1）可變磁阻式）可變磁阻式可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu)方案可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu)方案: :線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 可變磁阻式傳感器的

2、結(jié)構(gòu)，它由可變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)，它由線圈線圈、鐵芯鐵芯及及銜鐵銜鐵組組成。在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙成。在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙。根據(jù)電磁感應(yīng)定。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈律，當(dāng)線圈( (匝數(shù)匝數(shù)W)W)中通以電流中通以電流i i時(shí)，產(chǎn)生磁通時(shí)，產(chǎn)生磁通m m，其大小與電流其大小與電流 i i成正比，即成正比，即 根據(jù)磁路歐姆定律，磁通根據(jù)磁路歐姆定律，磁通 m m為為 所以所以線圈電感線圈電感( (自感自感) )可用下式計(jì)算可用下式計(jì)算 : :iLWmRmmiW RWmL2上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院磁路總磁阻磁路總磁阻: : 不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總磁阻為不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總

3、磁阻為 因此，自感因此，自感L L可寫為可寫為 上式表明，自感上式表明，自感L L與空氣隙與空氣隙成反比，而與空氣成反比，而與空氣隙導(dǎo)磁截面積隙導(dǎo)磁截面積S S0 0成正比。成正比。 、 S S0 0變化變化L L變化變化上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 當(dāng)固定當(dāng)固定S S0 0不變，不變， 變化變化時(shí)，時(shí)，L L 與與呈非線性呈非線性 （雙曲線）關(guān)系，（雙曲線）關(guān)系， 傳感器的靈敏度為傳感器的靈敏度為 呈非線性呈非線性上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院靈敏度靈敏度S與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。由于愈小，靈敏度愈高。由于S不是不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為

4、了減小這一誤差，通常規(guī)定常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小在較小的范圍內(nèi)工作。的范圍內(nèi)工作。 例如，若間隙變化范圍為（例如，若間隙變化范圍為（ 0, 0+ ），則靈敏度為），則靈敏度為由上式可以看出，當(dāng)由上式可以看出，當(dāng) 0時(shí)時(shí) )21 (22202000220022002)(0SSWSWSWSSSWS200022為常數(shù)為常數(shù)近似線性0+0上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 由上式可以看出，當(dāng)由上式可以看出，當(dāng) 0時(shí)時(shí) 輸出與輸入近似成線性關(guān)系。輸出與輸入近似成線性關(guān)系。 實(shí)際應(yīng)用中，一般取實(shí)際應(yīng)用中，一般取 / 0 0.1 這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為這種傳

5、感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.0011 mm。 0+0線性關(guān)系線性關(guān)系上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 如將如將固定，變化空氣隙導(dǎo)磁截面積固定，變化空氣隙導(dǎo)磁截面積S S0 0時(shí)，自感時(shí)，自感L L與與S S0 0呈線呈線性關(guān)系如下圖所示。性關(guān)系如下圖所示。 2002sWL 202WS 可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)有: :可變導(dǎo)磁面積可變導(dǎo)磁面積型、差動(dòng)型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動(dòng)型。型、差動(dòng)型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動(dòng)型。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 雙螺管線圈差動(dòng)型

6、雙螺管線圈差動(dòng)型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其性，被用于電感測(cè)微計(jì)上，其測(cè)量范圍為測(cè)量范圍為0 0300m300m，最最小分辨力為小分辨力為0.5m0.5m。 這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感這種傳感器的線圈接于電橋上，構(gòu)成兩個(gè)橋臂，線圈電感L L1 1、L L2 2隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 測(cè)量電路:交流電橋L Z上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院電感式接近傳感器（金屬）電感式接近傳感器（金屬）3.3 電感式傳感器電感式傳感

7、器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院教學(xué)用低成本四線制無(wú)二次儀表傳感器教學(xué)用低成本四線制無(wú)二次儀表傳感器3.3 電感式傳感器電感式傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院（2 2） 渦流式渦流式原理原理: :渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)3.3 電感式傳感器電感式傳感器渦流式傳感器的變換原渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)：如圖所示，金屬板置于如圖所示，金屬板置于一只線圈的附近，它們一只線圈的附近，它們之間相互的間距為之間相互的間距為，當(dāng)線圈輸入一交變電流當(dāng)線圈輸入一交變電流i i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁，金屬板

8、在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i i1 1，這種電流在金屬體內(nèi)是這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為閉合的，所以稱之為“渦電流渦電流”或或“渦渦流流 ” 。 i ii i1 1線圈線圈金屬板金屬板上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院渦流式傳感器的變換渦流式傳感器的變換原理原理: :渦電流效應(yīng)渦電流效應(yīng)3.3 電感式傳感器電感式傳感器渦流的大小與渦流的大小與金屬板金屬板的電阻的電阻率率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度、厚度h、金金屬板屬板與線圈的距離與線圈的距離、激勵(lì)、激勵(lì)電流角頻率電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。等參數(shù)有關(guān)。若改變其中的某兩項(xiàng)參數(shù)，若改變其中的某兩項(xiàng)參數(shù)，而固定其它參數(shù)不變，就可而固

9、定其它參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 渦流式傳感器可分為渦流式傳感器可分為高頻反射式高頻反射式和和低頻透射式低頻透射式兩兩種。種。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器 如圖所示，高頻如圖所示，高頻(lMHz)激激勵(lì)電流產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用勵(lì)電流產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面，在金屬板于金屬板的表面，在金屬板表面將形成渦電流。與此同表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)又反作用于線圈又反作用于線圈，引起線圈，引起線圈自感自感L或或阻抗阻抗Z的變化。線的變化

10、。線圈自感圈自感L或阻抗或阻抗Z的變化與距的變化與距離該金屬板的電阻率離該金屬板的電阻率、磁、磁導(dǎo)率導(dǎo)率、激勵(lì)電流、激勵(lì)電流i及角頻率及角頻率等有關(guān)，若只改變距離等有關(guān)，若只改變距離而而保持其它參數(shù)不變，則可將保持其它參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。為電壓輸出。 高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器多用于多用于位移測(cè)量位移測(cè)量。 ),(ZZ 原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z變化：變化：上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院低頻透射渦流式傳感器低頻透射渦流式傳感器低頻透射式渦流傳感器的工作原理如低頻透射式

11、渦流傳感器的工作原理如圖所示，發(fā)射線圈圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈和接收線圈2分分別置于被測(cè)金屬板材料別置于被測(cè)金屬板材料G的上、下方。的上、下方。由于低頻磁場(chǎng)渦電流小，滲透深，當(dāng)由于低頻磁場(chǎng)渦電流小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l低頻(音頻范圍音頻范圍)電壓電壓e1加到線圈加到線圈1的兩的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過(guò)金端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過(guò)金屬板材料屬板材料G，使線圈，使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)勢(shì)e2。但由于。但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2減少，當(dāng)金屬板材料減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)

12、勢(shì)e2越小。因此，越小。因此，e2的大小與的大小與G的厚度的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，e2隨材隨材料厚度料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用一定，則利用e2的變化即可測(cè)量其厚度。的變化即可測(cè)量其厚度。 低頻透射式渦流傳感器可用于低頻透射式渦流傳感器可用于金金屬板材厚度屬板材厚度。e2 金屬板金屬板厚度厚度h上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 渦流式傳感器的應(yīng)用渦流式傳感器的應(yīng)用: 渦流式電感傳感器主要用于位移、振渦流式電感傳感器主要用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等

13、參數(shù)的測(cè)量。動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)的測(cè)量。上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院3.3 電感式傳感器電感式傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院3.3 電感式傳感器電感式傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院產(chǎn)品：產(chǎn)品：3.3 電感式傳感器電感式傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle3.3 電感式傳感器電感式傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院案例：無(wú)損探傷案例：無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。火車輪檢測(cè)火車輪檢測(cè)油管檢測(cè)油管檢測(cè)3.3 電感式傳感器電感式傳

14、感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院2 2 互感型互感型-差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器工作原理:互感現(xiàn)象3.3 電感式傳感器電感式傳感器互感型電感傳感器是利用互感型電感傳感器是利用互感互感M的變化的變化來(lái)反映被測(cè)量的變化。來(lái)反映被測(cè)量的變化。這種傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。當(dāng)變壓器初這種傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)輸出電壓可變的變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級(jí)線圈便會(huì)有感應(yīng)電壓輸出，級(jí)線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級(jí)線圈便會(huì)有感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨被測(cè)量的變化而變化。該電壓隨被測(cè)量的變化而變化。 EwEout兩次級(jí)線圈兩次級(jí)線圈什么引起互感什么引起互感M的變化呢的變化呢?一初級(jí)線圈一初級(jí)

15、線圈上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院EwEout3.3 電感式傳感器電感式傳感器常用的互感型傳感器常用的互感型傳感器是是差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式電感電感傳感器傳感器兩次級(jí)線圈反接兩次級(jí)線圈反接上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院WW1W2Esx-x3.3 電感式傳感器電感式傳感器傳感器主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜傳感器主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三部分組成。線圈包括一個(gè)初級(jí)鐵三部分組成。線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈和線圈和兩個(gè)反接兩個(gè)反接的次級(jí)線圈，當(dāng)初的次級(jí)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí)級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和和e2。 EwEout上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院

16、上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即差，即ey=e1-e2?；顒?dòng)銜鐵能改變線圈之間的藕合程度活動(dòng)銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出。輸出e ey y的大小的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，e1=e2，ey=0；當(dāng)；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，e1e2，ey0；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，e1e2，ey0?；顒?dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓也隨之變化。活動(dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓也隨之變化。上海大學(xué)機(jī)自學(xué)

17、院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 值得注意的是：首先，差動(dòng)變壓器式傳感器輸出值得注意的是：首先，差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用的電壓是交流量，如用交流電壓表交流電壓表指示，則輸出指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的方向；其次，交流電壓輸出存在一定的方向；其次，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余零點(diǎn)殘余電壓電壓，零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)，零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成的。所以，即勻、線圈間分布電容等原因所形成的。

18、所以，即使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零。使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零。 鑒于這些原因，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路鑒于這些原因，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)余電壓的差動(dòng)相敏檢波直流輸出電路相敏檢波直流輸出電路。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院差動(dòng)相敏檢波電路差動(dòng)相敏檢波電路 下圖所示為用于小位移的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理，下圖所示為用于小位移的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使，使零點(diǎn)殘余電

19、壓減??；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯移上或移下，零點(diǎn)殘余電壓減小；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的由表頭指示輸入位移量的大小和方向大小和方向。上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院差動(dòng)變壓器位移傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器3.3 電感式傳感器電感式傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院案例：案例：板的厚度測(cè)量板的厚度測(cè)量 3.3 電感式傳感器電感式傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院案例：案例：張力測(cè)量張力測(cè)量3.3電感式傳感器電感式傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院差動(dòng)變壓器式

20、微位移測(cè)量頭差動(dòng)變壓器式微位移測(cè)量頭有精度高（達(dá)0.lm量級(jí)），線圈變化范圍大(可擴(kuò)大到l00mm，視結(jié)構(gòu)而定)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于直線位移測(cè)量及其它壓力、振動(dòng)等參量的測(cè)量 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院這種傳感器經(jīng)分擋可測(cè)量41046104Pa的壓力，精度為1.5。微壓傳感器微壓傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院利用差動(dòng)變壓器加上懸臂梁彈性支承可以構(gòu)成振動(dòng)測(cè)量加速度計(jì)，如圖所示。由于結(jié)構(gòu)上的限制，該加速度計(jì)能測(cè)量的振動(dòng)頻率上限一般在150Hz以下。1-懸臂梁；2-差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院第三章、常用傳感器第三章、常用傳感器3

21、.4 3.4 電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化AC0+ A 以最簡(jiǎn)單的平行極板電容器以最簡(jiǎn)單的平行極板電容器為例說(shuō)明其工作原理。在忽為例說(shuō)明其工作原理。在忽略邊緣效應(yīng)的情況下，平板略邊緣效應(yīng)的情況下，平板電容器的電容量為電容器的電容量為: 式中式中0真空的介電常數(shù)，真空的介電常數(shù)，0=8.85410-12F/m；A極板的遮蓋面積，極板的遮蓋面積，m2； 極板間介質(zhì)的相對(duì)介極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，在空氣中，電系數(shù)，在空氣中，=1；兩平行極板間的距離。兩平行極板間的距離。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院3.4 3.4

22、電容式傳感器電容式傳感器 + A 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。電容的變化。上式表明，當(dāng)被測(cè)量上式表明，當(dāng)被測(cè)量、A A或或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過(guò)配套一電容量的變化，再通過(guò)配套的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)的測(cè)量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。換為電信號(hào)輸出。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 電容式傳感器的類型電容式傳感器的類型: : 根據(jù)電容器參數(shù)

23、變化的特性，電容式根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為傳感器可分為極距變化型極距變化型、面積變化型面積變化型和和介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。變化型應(yīng)用較廣。上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院3.4 電容式傳感器電容式傳感器 a)a)極距極距變化型變化型+SC0+如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則當(dāng)兩極板在被如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則當(dāng)兩極板在被測(cè)對(duì)象作用下發(fā)生位移變化時(shí)所引起的電容量變化為測(cè)對(duì)象作用下發(fā)生位移變化時(shí)所引起的電容量變化為 由此可得到傳感器的由此可得到傳感器的靈敏度靈敏度為為 非線性非線性上海大學(xué)

24、機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院SC0 由于靈敏度由于靈敏度K與極距與極距呈呈非線性關(guān)系非線性關(guān)系，故將引起非線性誤，故將引起非線性誤差。差。 靈敏度靈敏度K與極距平方成反比與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。，極距愈小，靈敏度愈高。 一般通過(guò)減小初始極距來(lái)提高靈敏度。一般通過(guò)減小初始極距來(lái)提高靈敏度。為了減小這一非線性誤差，通常規(guī)定測(cè)量范圍為了減小這一非線性誤差，通常規(guī)定測(cè)量范圍0。一般。一般取極距變化范圍為取極距變化范圍為/ 0 0.1，此時(shí)，傳感器的靈敏度近似，此時(shí)，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。為常數(shù)。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 極距變化型電容傳感器的特點(diǎn)極距變化型電容傳感器的特點(diǎn) 優(yōu)

25、點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1):1)動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量; ; 2)2)靈敏度高靈敏度高, ,適用于較小位移測(cè)量適用于較小位移測(cè)量(0.01m(0.01m數(shù)百微米）數(shù)百微米） 缺點(diǎn)：傳感器的雜散電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度有影響，后缺點(diǎn)：傳感器的雜散電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度有影響，后續(xù)電子線路要求較高。續(xù)電子線路要求較高。上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院3.4 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳聲器電容式傳聲器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院3.4 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳聲器電容式傳聲器上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院b)b)面積變化型面積變化型SC03.4 電容式傳感器電容式傳感器 改變極板間覆蓋

26、面積的電容式傳感器，改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器， S C常用的有常用的有角位移型角位移型和和線位移型線位移型兩種。兩種。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院角位移型角位移型+3.4 電容式傳感器電容式傳感器 當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 當(dāng)覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為當(dāng)覆蓋面積對(duì)應(yīng)的中心角為a a、極板半徑為、極板半徑為r r時(shí)，時(shí)，覆蓋面積為覆蓋面積為 電容量為電容量為 其靈敏度為其靈敏度為 角位移型角位移型上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 線位移型電容式傳感器有線位移型電容式傳感器有平面線位移型平面線位移型和和圓

27、柱線位移型圓柱線位移型兩種。兩種。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院AC0平面線位移型平面線位移型3.4 電容式傳感器電容式傳感器 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 對(duì)于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為對(duì)于平面線位移型電容式傳感器，當(dāng)寬度為b b的動(dòng)的動(dòng)板沿箭頭板沿箭頭x x方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也方向移動(dòng)時(shí)，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化，電容量為隨之變化，電容量為 變換關(guān)系變換關(guān)系:XC:XC 其靈敏度為其靈敏度為 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院柱面線位移型柱面線位移型. .AC03.4 電容式傳感器電容式傳感器 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 對(duì)于圓柱線位移型電容式傳感器

28、，當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度對(duì)于圓柱線位移型電容式傳感器，當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x x變變化時(shí)，電容量也隨之變化，其電容為化時(shí)，電容量也隨之變化，其電容為 r r1 1、r r2 2外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒外半徑，外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒外半徑， xx外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長(zhǎng)度外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長(zhǎng)度 其靈敏度為其靈敏度為 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 面積變化型電容傳感器無(wú)論是角位移型、面積變化型電容傳感器無(wú)論是角位移型、平面線位移型、柱面線位移型平面線位移型、柱面線位移型 特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極距輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極距變化型電容式傳感器相比，靈敏度較低，變化型電容式傳感器相比，靈敏度較低，適用

29、于較大量程范圍的角位移和直線位移適用于較大量程范圍的角位移和直線位移的測(cè)量。的測(cè)量。上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院產(chǎn)品產(chǎn)品. .陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力液體壓力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片產(chǎn)生膜片產(chǎn)生 位移。位移。 壓力變送器壓力變送器3.4電容式傳感器電容式傳感器 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型AC03.4 電容式傳感器電容式傳感器 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院 這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度( (圖圖a a) )、位移、位移( (圖圖b b) )、液位、液位( (圖圖

30、c c) )，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量容量( (圖圖d d) )等。等。 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院產(chǎn)品產(chǎn)品. .電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/ /料位計(jì)）料位計(jì)）3.4電容式傳感器電容式傳感器 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院其它：電容式接近開(kāi)關(guān)其它：電容式接近開(kāi)關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物

31、體移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)移向接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。3.4 電容式傳感器電容式傳感器 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院3.4 電容式傳感器電容式傳感器 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院電容傳感器測(cè)量電路電容傳感器測(cè)量電路 將電容量轉(zhuǎn)換成電量 (電壓或電流)的電路稱作電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路，它們的種類很多，目前較常采用的有電橋電

32、路、諧振電路、調(diào)頻電路及運(yùn)算放大電路等。上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院a)a)電橋電路電橋電路 3.4電容式傳感器電容式傳感器 上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院b) b) 諧振電路諧振電路 3.4電容式傳感器電容式傳感器 電容傳感器的電容Cx作為諧振回路(L2、C2、Cx)調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過(guò)電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時(shí)，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，而這個(gè)變化被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過(guò)放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院上海大學(xué)機(jī)自學(xué)院為了獲得較好的線性關(guān)系，一般諧振電路的工作點(diǎn)為了獲得較好的線性關(guān)系，一般諧振電路的工作點(diǎn)選在諧振曲線