电容式电感式传感器

6电感式传感器电感式传感器n电感式传感器的工作原理：电感式传感器的工作原理：它是利用它是利用电磁感应电磁感应原原理，通过线圈自感或互感的变化，实现非电量的理，通过线圈自感或互感的变化，实现非电量的电测。电测。n用途及特点用途及特点：常用来测量：常用来测量位移、振动、压力、应位移、振动、压力、应变、流量、比重变、流量、比重等物理量参数。等物理量参数。n优点优点：具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用：具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广范围广n缺点缺点：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。n分类分类：按工作原理分为：按工作原理分为自感式自感式（可变磁阻式）、（可变磁阻式）、互感式互感式（差动变压器式）、（差动变压器式）、电涡流式电涡流式三种。三种。6.1自感型传感器自感型传感器n自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。原理图如下图。它由线圈、铁芯及衔铁组成。在原理图如下图。它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙铁芯和衔铁之间有空气隙。（可变磁阻式）。（可变磁阻式）一、工作原理（可变磁阻式）一、工作原理（可变磁阻式）n根据根据电磁感应定律电磁感应定律，当线圈中通以电流，当线圈中通以电流i时，产生时，产生磁通，其大小与电流成正比，即：磁通，其大小与电流成正比，即：式中，式中，W线圈匝数线圈匝数;L线圈电感，单位为亨线圈电感，单位为亨Hn根据根据磁路欧姆定律磁路欧姆定律，磁通，磁通m为：为：式中式中iW磁势，磁势，ARm磁阻，磁阻，H-1n于是得到：于是得到：n如果空气隙如果空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，较小，而且不考虑磁路的铁损时，则则磁路总磁阻磁路总磁阻为：为：式中：式中：l导磁体导磁体(铁芯铁芯)的总长度的总长度(m)；铁芯导磁率铁芯导磁率(H/m)；A铁芯导磁横截面积铁芯导磁横截面积(m2)，Sab;空气隙长度空气隙长度(m);0空气导磁率；空气导磁率；A0空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积(m2)。n因为因为0，则，则:n因此，自感因此，自感L可写为：可写为：n上式表明，自感上式表明，自感L与与气隙气隙成反比，而与成反比，而与气隙导磁气隙导磁截面积截面积A0成正比。当固定成正比。当固定A0不变，变化不变，变化时（称为时（称为变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器），），L与与呈非线性（双曲线）呈非线性（双曲线）关系，如图所示。关系，如图所示。n将上式对将上式对求导，得求导，得变气隙式传感器变气隙式传感器的灵敏度为的灵敏度为n可见：可见：灵敏度灵敏度S与气隙长度的平方成反比，与气隙长度的平方成反比，愈小，愈小，灵敏度愈高。由于灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现不是常数，故会出现非线性误非线性误差差，为了减小这一误差，通常规定，为了减小这一误差，通常规定在较小的范围在较小的范围内工作一般取内工作一般取。当气隙的增量 时，灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。在实际应用中，一般取 ，这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm。n若将变气隙式自感传感器的气隙厚度若将变气隙式自感传感器的气隙厚度保持不变，保持不变，使使气隙导磁截面积气隙导磁截面积A随被测非电量而变，即构成随被测非电量而变，即构成变变面积式自感传感器面积式自感传感器。如图。如图AA=abn将式将式对对A0求导，得其灵敏度求导，得其灵敏度S为：为：n即变面积式自感传感器输出特性即变面积式自感传感器输出特性呈线性呈线性，因此测，因此测量范围大。但与变气隙式相比，其量范围大。但与变气隙式相比，其灵敏度灵敏度S较低较低。欲提高灵敏度，初始欲提高灵敏度，初始气隙厚度气隙厚度不能过大不能过大，但同样，但同样受工艺和结构的限制，受工艺和结构的限制，的选取与变气隙式相同。的选取与变气隙式相同。n螺管式自感传感器螺管式自感传感器n其结构原理如图所示，它由螺管、线圈、衔铁等其结构原理如图所示，它由螺管、线圈、衔铁等组成，随着衔铁插入的深度的不同引起线圈电感组成，随着衔铁插入的深度的不同引起线圈电感量发生变化。量发生变化。螺管式自感传感器又分单螺管式和双螺管差动式两种单螺管线圈型单螺管线圈型n螺管式自感传感器与前两种传感器相比，具有以螺管式自感传感器与前两种传感器相比，具有以下特点：下特点：结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易；由于磁路大部分为空气，由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰易受外部磁场干扰；由于空气隙大，磁路磁阻大，故由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两灵敏度较前两种低，但线性范围大种低，但线性范围大；由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而圈匝数多，因而线圈分布电容线圈分布电容大；大；要求线圈框架要求线圈框架尺寸和形状必须稳定尺寸和形状必须稳定，否则影响，否则影响其线性和稳定性。其线性和稳定性。n差动式自感传感器差动式自感传感器上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，衔铁上始终作用有电磁吸力，影响测量准确度；衔铁上始终作用有电磁吸力，影响测量准确度；而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰的影响，因此不适合精密测量界干扰的影响，因此不适合精密测量。为了克服。为了克服上述缺点，所以现在大都采用上述缺点，所以现在大都采用差动式差动式。变气隙差动式自感传感器变气隙差动式自感传感器n差动变气隙式传感器的结构原理如图（差动变气隙式传感器的结构原理如图（a）所示。它由）所示。它由两两个完全相同的电感线圈个完全相同的电感线圈W1和和W2组成组成，在两个铁芯中间有，在两个铁芯中间有一个一个公用衔铁公用衔铁。衔铁处在中间位置时，。衔铁处在中间位置时，1=2=0，两边气，两边气隙相等，电感量隙相等，电感量L1=L2=L0，由于采用，由于采用差动连接差动连接方法，传感方法，传感器总的电感量为器总的电感量为L=L1L2=0，所以传感器输出电压，所以传感器输出电压(总总的自感电动势的自感电动势)为零，见图（为零，见图（b）。）。n当衔铁偏离中间位置时，两边气隙的大小改变使当衔铁偏离中间位置时，两边气隙的大小改变使12，若位移使，若位移使L1线圈的电感从中间位置时的线圈的电感从中间位置时的L0增大为增大为（L0+L1），），L2线圈的电感减小为（线圈的电感减小为（L0L2）。则总）。则总的电感为的电感为L=L1L2=（L0+L1）（）（L0L2）=L1+L2若若衔衔铁铁位位移移很很小小，则则L1=L2=L，故故L2L单单。n可见，当衔铁位置左右移动时，可使两个线圈的可见，当衔铁位置左右移动时，可使两个线圈的间隙按间隙按变化，一个线圈自感增加，变化，一个线圈自感增加，一个线圈自感减少。一个线圈自感减少。又如果将两线圈接于电桥的又如果将两线圈接于电桥的相邻桥臂，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了相邻桥臂，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。线性特性。n下图是双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型下图是双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有有较高灵敏度及线性较高灵敏度及线性，被用于，被用于电感测微计电感测微计上，其测上，其测量范围为量范围为0300m，最小分辨力为，最小分辨力为0.5m。这种。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。所示。n差动式自感传感器的优点差动式自感传感器的优点:由于采用差动式结构，可以由于采用差动式结构，可以改善系统的非线性、改善系统的非线性、提高灵敏度提高灵敏度对对电源电压、电源频率的波动电源电压、电源频率的波动及及温度温度变化等外界变化等外界影响也有补偿作用影响也有补偿作用作用在衔铁上的电磁力，由于是两个线圈磁通产作用在衔铁上的电磁力，由于是两个线圈磁通产生的电磁力之差，所以对电磁吸力有一定的补偿生的电磁力之差，所以对电磁吸力有一定的补偿作用，从而作用，从而提高了测量的准确性提高了测量的准确性。6.2互感（差动变压器）式传感器互感（差动变压器）式传感器n互感型电感传感器是利用互感型电感传感器是利用互感的变化互感的变化来反映被测来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可输出电压可变变的的变压器变压器。当变压器。当变压器初级初级线圈输入稳定交流电线圈输入稳定交流电压后，压后，次级次级线圈便会有感应电压输出，线圈便会有感应电压输出，该电压随该电压随被测量的变化而变化被测量的变化而变化。n差动变压器式差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以其结构形式有多种，以螺管形螺管形应用较为普遍，其应用较为普遍，其结构及工作原理如下图所示结构及工作原理如下图所示n差动变压器式传感器的原理：差动变压器式传感器的原理：传感器主要由传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组三个部分组成。线圈包括一个成。线圈包括一个初级线圈初级线圈和和两个反接的次级线两个反接的次级线圈圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势将产生感应电动势e1和和e2由于两个由于两个次级线圈极性反接次级线圈极性反接，因此，传感器的输，因此，传感器的输出电压为两者之差，即出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度线圈之间的藕合程度。所以输出。所以输出ey的大小随活动衔的大小随活动衔铁的位置而变。铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即当活动衔铁向上移时，即e1e2，ey0;当活动衔铁向下移时，即当活动衔铁向下移时，即e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如上图所示。化，输出特性如上图所示。n值得注意的是：值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流量交流量，如用交流电压表指示，则如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向移的大小，而不能反应移动的方向；其次，交流电压输出存在一定的其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以，间分布电容等原因所形成的。所以，即使活动衔即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的余电压的差动直流输出电路差动直流输出电路。n下图所示为用于小位移的下图所示为用于小位移的差动相敏检波电路差动相敏检波电路的工的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。入位移量的大小和方向。6.3涡流式传感器涡流式传感器n涡流式传感器的涡流式传感器的变换原理变换原理是利用金属导体在交流是利用金属导体在交流磁场中的磁场中的涡电流效应涡电流效应。n涡电流效应：涡电流效应：如图所示，金属板置于一只线圈的如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一，当线圈输入一交交变电流变电流i时，便产生交变磁通量时，便产生交变磁通量，金属板在此交，金属板在此交变磁场中会产生感应电流变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内这种电流在金属体内是闭合的是闭合的，所以称之为，所以称之为“涡电流涡电流”或或“涡流涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚度、厚度h、金属板与线圈的距离金属板与线圈的距离、激励电流角频率、激励电流角频率等参数等参数有关。有关。若改变其中的某项参数，而固定其它参数若改变其中的某项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化来测量该参数。不变，就可根据涡流的变化来测量该参数。n研究涡流式传感器的模型，可以得出以下结论：研究涡流式传感器的模型，可以得出以下结论：n金属导体上形成的涡流有一定的范围金属导体上形成的涡流有一定的范围，当线圈，当线圈与导体间的距离不变时，与导体间的距离不变时，电涡流密度随着线圈外电涡流密度随着线圈外径的大小而变化径的大小而变化。为了充分的利用涡流效应，。为了充分的利用涡流效应，被被测导体的平面不应小于传感器线圈外径测导体的平面不应小于传感器线圈外径R的的2倍倍，否则灵敏度将下降。否则灵敏度将下降。n涡流强度随着线圈与导体间距离涡流强度随着线圈与导体间距离的增大而迅的增大而迅速减小速减小，由此可知，由此可知，涡流强度与距离涡流强度与距离呈非线性关呈非线性关系。系。为了获得较好的线性和较高的灵敏度，应使为了获得较好的线性和较高的灵敏度，应使/RlMHz)激励电流产生的激励电流产生的高频磁高频磁场场作用于金属板的表面，由于作用于金属板的表面，由于集肤效应集肤效应，在金属，在金属板板表面表面将形成将形成涡电流涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，圈，引起线圈自感引起线圈自感L或阻抗或阻抗ZL的变化的变化。线圈线圈自感自感L或阻抗或阻抗ZL的变化的变化与距离与距离、该金属板该金属板的电阻率的电阻率、磁导率、磁导率、激励电流、激励电流i及角频率及角频率等有等有关。关。若只改变若只改变距离距离而保持其它参数不变，则可而保持其它参数不变，则可将位将位移的变化转换为线圈自感的变化移的变化转换为线圈自感的变化，再通过测量电，再通过测量电路转换为电压输出。路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器多用多用于于位移测量。位移测量。二、二、低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器n其工作原理如下图所示，发射线圈其工作原理如下图所示，发射线圈1和接收线圈和接收线圈2分别置于被测金属板材料分别置于被测金属板材料G的上、下方。的上、下方。n由于由于低频磁场具有集肤效应小，渗透深的特点低频磁场具有集肤效应小，渗透深的特点。当低频当低频(音频范围音频范围)电压电压e1加到线圈加到线圈1的两端后，所的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈使线圈2产生产生感应电动势感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势使感应电动势e2减少，当减少，当金属板材料金属板材料G越厚时，损越厚时，损耗的能量越大耗的能量越大，导致，导致线圈线圈2上的输出电动势上的输出电动势e2越越小。小。n因此，因此，e2的大小与的大小与G的厚度及材料的性质的厚度及材料的性质有关，有关，试验表明，试验表明，e2随材料厚度随材料厚度h的增加按负指数规律减的增加按负指数规律减少少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用则利用e2的变化即可测量其厚度的变化即可测量其厚度。-这就是这就是涡流涡流测厚测厚的原理的原理三、涡流式传感器的应用三、涡流式传感器的应用n涡流式电感传感器主要用于涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、位移、振动、转速、距离、厚度距离、厚度等参数的测量，它可实现非线性测量。等参数的测量，它可实现非线性测量。下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进行零件计数的例子。行零件计数的例子。6.4测量电路测量电路n自感式电感传感器是将位移转换成电感（自感系自感式电感传感器是将位移转换成电感（自感系数）的变化，为了便于测量，还必须通过数）的变化，为了便于测量，还必须通过测量电测量电路路将电感的变化变成电压（或电流）的变化，以将电感的变化变成电压（或电流）的变化，以便进行放大。为此，可以采用便进行放大。为此，可以采用交流电桥交流电桥或采用或采用谐谐振电路振电路进行处理。差动式自感传感器常采用进行处理。差动式自感传感器常采用交流交流电桥电桥n（一）交流电桥（一）交流电桥交流电桥由交流电源供电（图（交流电桥由交流电源供电（图（a），四），四个桥臂可以是个桥臂可以是电阻电阻，也可以是，也可以是电容或电感电容或电感，因而，因而可以用来测量可以用来测量电阻、电容和电感电阻、电容和电感。n如果将直流电桥中的电阻如果将直流电桥中的电阻R用阻抗用阻抗Z来代替，则来代替，则有：有：交流电桥的平衡条件为交流电桥的平衡条件为若阻抗用指数形式表示，代入上式得若阻抗用指数形式表示，代入上式得要使上式成立，必须满足要使上式成立，必须满足:式中式中z1、z2、z3、z4各阻抗的模；各阻抗的模；n也就是说，交流电桥的平衡条件是：相对桥臂也就是说，交流电桥的平衡条件是：相对桥臂阻阻抗之模抗之模的乘积和的乘积和阻抗角阻抗角之和必须相等。因此电桥之和必须相等。因此电桥必须有必须有两个可调参数两个可调参数，对幅值和相角进行平衡。，对幅值和相角进行平衡。n上图（上图（b）是（）是（a）的变形，称为）的变形，称为变压器电桥变压器电桥，它，它是从变压器次级中心抽头，把次级分为两个绕组是从变压器次级中心抽头，把次级分为两个绕组接入电桥作为相邻桥臂，另外两臂由接入电桥作为相邻桥臂，另外两臂由差动式传感差动式传感器器两线圈阻抗两线圈阻抗Z1和和Z2构成。因为次级绕组上下两构成。因为次级绕组上下两部分对称，故两部分电压相等，均为部分对称，故两部分电压相等，均为u/2。若以。若以d为为参考点，设负载阻抗为无穷大，则输出电压为参考点，设负载阻抗为无穷大，则输出电压为a、c两点的电位差，即：两点的电位差，即：n电感线圈的复数阻抗为电感线圈的复数阻抗为Z=r+jL L,若若rrL）当衔铁向相反方向移动相等距离，当衔铁向相反方向移动相等距离，L1=L0+L1、L2=L0-L2，有有：n由此可知：由此可知：（1）电桥输出电压与）电桥输出电压与两线圈电感变化量之和两线圈电感变化量之和成成正比；正比；（2）衔铁沿相反方向移动相同距离时，输出电）衔铁沿相反方向移动相同距离时，输出电压大小相等，相位相反，即输出电压的极性反映压大小相等，相位相反，即输出电压的极性反映了传感器衔铁运动的方向。但交流信号要判别极了传感器衔铁运动的方向。但交流信号要判别极性，需要专门的判别电路（性，需要专门的判别电路（相敏检波电路相敏检波电路）。）。(二二)交流电桥的调幅作用交流电桥的调幅作用n被测量经过传感器变换后被测量经过传感器变换后,得到的是得到的是变化缓慢的变化缓慢的微小信号微小信号，不能直接推动指示仪表和记录仪器，不能直接推动指示仪表和记录仪器，需要进行需要进行放大放大。如果用直流放大器放大，则存在。如果用直流放大器放大，则存在漂移漂移和和级间耦合衰减级间耦合衰减的问题，有一定难度，为此的问题，有一定难度，为此通常是把缓变微小信号先变成频率适当的交流信通常是把缓变微小信号先变成频率适当的交流信号，然后用号，然后用交流放大器交流放大器再进行放大。再进行放大。n调制：利用调制：利用缓变信号（低频）缓变信号（低频）控制控制高频振荡信号高频振荡信号，使其随着缓变信号的变化规律而变化的过程使其随着缓变信号的变化规律而变化的过程n高频振荡信号称为高频振荡信号称为载波载波，控制高频信号的缓变信，控制高频信号的缓变信号称为号称为调制信号调制信号，经过调制的信号称为，经过调制的信号称为调波调波n解调：把解调：把调制调制成的交流信号还原成缓变信号的过成的交流信号还原成缓变信号的过程叫程叫解调解调。n设载波的表示式为：设载波的表示式为：式中，式中，uc-载波电压的瞬时值载波电压的瞬时值 Uc-载波电压的振幅载波电压的振幅c c-载波电压的角频率载波电压的角频率 c-载波波电压的初相角的初相角n用调制信号控制载波的用调制信号控制载波的幅值幅值Uc,使其随着调制信使其随着调制信号的变化规律而变化的过程称为号的变化规律而变化的过程称为调幅调幅。调制以后。调制以后得到的信号称为得到的信号称为调幅信号调幅信号。n用调制信号控制载波的角频率用调制信号控制载波的角频率c c的过程称为的过程称为调调频频。用调制信号控制载波的初相角。用调制信号控制载波的初相角c的的过程称程称为调相相。n为分析方便，忽略初相角，分析方便，忽略初相角，则：n若若调制信号制信号为：n经过调幅后，幅后，载波的振幅已不是常波的振幅已不是常值，而是，而是时间的函数，的函数，调幅信号的表示式幅信号的表示式为：n式中的式中的m称为调幅系数。调幅信号的波形如图所称为调幅系数。调幅信号的波形如图所示。将上式展开得：示。将上式展开得：n上式表明调幅信号包含三个频率分量，其频率分上式表明调幅信号包含三个频率分量，其频率分别为别为c c、（、（c c+s s）、（）、（c c-s s）其频谱如图所示。其频谱如图所示。n产生调幅信号的器件称为产生调幅信号的器件称为调幅调幅器器，它实质上是一个，它实质上是一个乘法器乘法器。交交流电桥流电桥就是测试电路中常用的就是测试电路中常用的调调幅器幅器。若以。若以高频振荡信号高频振荡信号作为作为供供桥电源桥电源，电桥输出即为调幅波，电桥输出即为调幅波（三）幅值调制信号的解调（三）幅值调制信号的解调n最常见的解调方法有最常见的解调方法有整流检波整流检波和和相敏检波相敏检波。在测。在测试技术中常使用相敏检波电路。试技术中常使用相敏检波电路。n相敏检波电路的形式很多，过去常采用半导体二相敏检波电路的形式很多，过去常采用半导体二极管或三极管等极管或三极管等分立元件分立元件实现，现在一般采用实现，现在一般采用集集成电路成电路来实现，比如来实现，比如LZX1，是一种全集成化的全，是一种全集成化的全波相敏整流放大器。它能把输入的交流信号全波波相敏整流放大器。它能把输入的交流信号全波整流为直流信号，并具有鉴别输入信号的相位等整流为直流信号，并具有鉴别输入信号的相位等功能。功能。n相敏检波电路输出的信号包含着被测信号和载波。相敏检波电路输出的信号包含着被测信号和载波。一般还需要在其后电路中加入一般还需要在其后电路中加入低通滤波器低通滤波器。电感式传感器的应用电感式传感器的应用n一、位移的测量一、位移的测量n位移测量还包括与位移相关的膨胀、伸长、尺寸位移测量还包括与位移相关的膨胀、伸长、尺寸变化等。变化等。n电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）n连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor ReferenceCirclen裂纹检测，原理：缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器n案例：板的厚度测量案例：板的厚度测量 二、力、压力的测量二、力、压力的测量n自感和互感式电感传感器可进行力、压力、压力自感和互感式电感传感器可进行力、压力、压力差的测量。差的测量。n案例：张力测量案例：张力测量练习题练习题n1.差动变压器式传感器属于差动变压器式传感器属于a.物性型传感器物性型传感器b.结构型传感器结构型传感器c.电阻式传感器电阻式传感器d.电感式传感器电感式传感器n2.某自感式传感器线圈的匝数为某自感式传感器线圈的匝数为n，磁路的磁阻，磁路的磁阻为为Rm，则其自感为，则其自感为a.n/Rmb.n2/Rmc.Rm/nd.n2/Rm2n3.为什么电感式传感器一般都采用差动形式？为什么电感式传感器一般都采用差动形式？n4.电涡流式传感器有两种电涡流式传感器有两种:高频反射式和低频透射高频反射式和低频透射式式,它们的工作原理它们的工作原理()a.相同相同b.不同不同c.部分相同部分相同d.不能确定不能确定n5.电感式传感器包括电感式传感器包括()a.自感式自感式b.互感式互感式c.包括包括ab和和dd.涡流式涡流式7电容式传感器电容式传感器n电容式传感器是将被测量（压力、尺寸等）的变电容式传感器是将被测量（压力、尺寸等）的变化转换成电容量的变化。实际上化转换成电容量的变化。实际上,它本身（或它本身（或和和被测物）就是一个被测物）就是一个可变电容器可变电容器。7.1.1工作原理与特性工作原理与特性n以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为：为：式中式中0真空的介电常数，真空的介电常数，(0=8.85410-12F/m）；）；A极板的遮盖面积（极板的遮盖面积（m2)；极板间介质的相对介电系数，在空气中，极板间介质的相对介电系数，在空气中，=1；两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（m）n上式表明，当被测量上式表明，当被测量、S或或发生变化时，都会发生变化时，都会引起电容的变化。引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，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为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。将电容的变化转换为电信号输出。n根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为：为：极距变化型极距变化型、面积变化型面积变化型和和介质变化型介质变化型三种，三种，三种形式的电容器应用都很广。三种形式的电容器应用都很广。7.1.2极距变化型电容传感器极距变化型电容传感器n极距变化型电容式传感器的结构原理见下图。根极距变化型电容式传感器的结构原理见下图。根据上式，如果两极板相互据上式，如果两极板相互覆盖面积覆盖面积及及极间介质极间介质不不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化为时所引起的电容量变化为n由此可得到传感器的灵敏度为由此可得到传感器的灵敏度为n从上式可看出，从上式可看出，灵敏度灵敏度S与极距平方成反比，与极距平方成反比，极极距愈小，灵敏度愈高距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量提高灵敏度。由于电容量C与极距与极距呈非线性关系，呈非线性关系，故这将引起故这将引起非线性误差非线性误差。为了减小这一误差，通。为了减小这一误差，通常规定测量范围常规定测量范围。一般取极距变化范。一般取极距变化范围为围为，另外一般我们让，另外一般我们让此时，传感器的灵敏度近似为此时，传感器的灵敏度近似为常数常数n实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温如电源电压、环境温度等度等)的变化对测量精度的影响，常常采用的变化对测量精度的影响，常常采用差动型差动型电容式传感器电容式传感器。7.1.3面积变化型电容式传感器面积变化型电容式传感器n改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型角位移型和和线位移型线位移型两种。两种。n下图为典型的下图为典型的角位移型角位移型电容式传感器。当动板有电容式传感器。当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为心角为a、极板半径为、极板半径为r时，覆盖面积为时，覆盖面积为n电容量为：电容量为：n其灵敏度：其灵敏度：n线位移型电容式传感器有线位移型电容式传感器有平面线位移型平面线位移型和和圆柱线圆柱线位移型位移型两种。对于平面线位移型电容式传感器，两种。对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为当宽度为b的动板沿箭头的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容量为变化，电容量也随之变化，电容量为n由于平板型传感器的可动极板沿由于平板型传感器的可动极板沿极距极距方向稍有移方向稍有移动就会影响动就会影响测量精度测量精度，因此，一般情况下，变面，因此，一般情况下，变面积型电容式传感器常做成积型电容式传感器常做成圆柱形圆柱形。n对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为变化时，电容量也随之变化，其电容为式中式中x外圆筒与内圆筒覆盖部分长度，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度，m；r1、r2外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径，外半径，即它们的工作半径，m。n其灵敏度为：其灵敏度为：n由上述可知，面积变化型电容传感器的由上述可知，面积变化型电容传感器的优点优点是是输输出与输入成线性关系出与输入成线性关系，但，但缺点缺点是与极板变化型电是与极板变化型电容式传感器相比，容式传感器相比，灵敏度较低灵敏度较低，适用于，适用于较大量程较大量程范围的角位移和直线位移的测量。范围的角位移和直线位移的测量。7.1.4介质变化型电容传感器介质变化型电容传感器n变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。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这种传感器大多用于测量电介质的厚度测量电介质的厚度(图图a)、位、位移移(图图b)、液位、液位(图图c)，还可根据极板间介质的介电还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量、浓度改变而改变来常数随温度、湿度、容量、浓度改变而改变来测测量温度、湿度、容量、浓度量温度、湿度、容量、浓度(图图d)等。等。7.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n将电容量转换成电量将电容量转换成电量(电压或电流电压或电流)的电路称作的电路称作电电容式传感器的转换电路容式传感器的转换电路，它们的种类很多，目前，它们的种类很多，目前较常采用的有较常采用的有电桥电路电桥电路、谐振电路谐振电路、调频电路调频电路及及运算放大电路、运算放大电路、脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路等等一、一、电桥电路电桥电路n如图为桥式转换电路。图如图为桥式转换电路。图(a)为单臂接法的桥式为单臂接法的桥式测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，构成电桥的四臂，Cx为电容传感器。交流电桥平衡时：为电容传感器。交流电桥平衡时：C1/C2=Cx/C3当当Cx改变时，改变时，UO0，有输出电压。，有输出电压。n在图在图(b)中，接有差动电容传感器，其空载输出中，接有差动电容传感器，其空载输出电压可用下式表示：电压可用下式表示：Uo=（Cx1-Cx2）/（Cx1+Cx2）（U/2）=（C/C0）（U/2）式中式中C0传感器的初始电容值；传感器的初始电容值；C传感器电传感器电容的变化值。容的变化值。该线路的输出还应经过该线路的输出还应经过相敏检波电路相敏检波电路才能分辨才能分辨UO的相位。的相位。n实际的电桥电路应该如下图示：实际的电桥电路应该如下图示：二、调频电路二、调频电路n这种电路是将电容式传感器作为这种电路是将电容式传感器作为LC振荡器振荡器谐振谐振回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的的负载电容负载电容。当电容传感器工作时，。当电容传感器工作时，电容电容Cx发生发生变化，使振荡器的频率变化，使振荡器的频率f 发生相应的变化。由于振发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容式传感器的电容调制，这样就荡器的频率受电容式传感器的电容调制，这样就实现了实现了Cf 的变换，故称为的变换，故称为调频电路调频电路。下图为。下图为LC振荡器调频电路方框图。振荡器调频电路方框图。调频振荡器调频振荡器的的频率频率可由可由下式决定：下式决定：f=1/（2LC）n式中式中L振荡回路电感；振荡回路电感；C振荡回路总电振荡回路总电容。容。n振荡器输出的高频电压是一个受被测量控制的振荡器输出的高频电压是一个受被测量控制的调调频波频波，频率的变化在，频率的变化在鉴频器鉴频器中变换为电压幅度的中变换为电压幅度的变化，经过放大器放大后就可用仪表来指示。变化，经过放大器放大后就可用仪表来指示。限幅器鉴频器放大器调频振荡器三、谐振电路三、谐振电路n下图所示为谐振式电路的原理框图，下图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器电容传感器的电容的电容Cx作为谐振回路作为谐振回路(L2、C2、Cx)的调谐电容的的调谐电容的一部分。谐振回路通过一部分。谐振回路通过电感藕合电感藕合，从稳定的，从稳定的高频高频振荡器振荡器取得取得振荡电压振荡电压。当传感器电容发生变化时，。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。得到相应的输出。n为了获得较好的为了获得较好的线性关系线性关系，一般谐振电路的工作，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点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70%附近附近的地方，且工作范围选在的地方，且工作范围选在BC段内。段内。n这种电路的这种电路的优点优点是比较是比较灵活灵活；缺点缺点是是工作点不易工作点不易选好选好，变化范围也较窄变化范围也较窄，传感器连接电缆的，传感器连接电缆的杂散杂散电容电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求要求振荡器的频率振荡器的频率具有很高的具有很高的稳定性稳定性。四、脉冲宽度调制电路（四、脉冲宽度调制电路（PWM电路）电路）n脉冲宽度调制电路是利用脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充放电对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变使电路输出脉冲的宽度随电容传感器的电容量变化而改变，通过化而改变，通过低通滤波器低通滤波器得到对应于被测量变得到对应于被测量变化的直流信号。脉冲宽度调制电路如图所示化的直流信号。脉冲宽度调制电路如图所示五、运算放大电路五、运算放大电路n变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量的极距变化与电容变化量成成非线性关系非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路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。可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如图所示如图所示n反馈回路中的反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为：的运算关系为：代入代入得：得：n由上式可知，输出电压与电容传感器的间隙成由上式可知，输出电压与电容传感器的间隙成线线性关系性关系。7.3电容式传感器的特点与应用电容式传感器的特点与应用n1.主要优点主要优点1）输入能量小而灵敏度高）输入能量小而灵敏度高如一种如一种250mm量程电容式位移传感器，精度量程电容式位移传感器，精度可达到可达到5m2）电参量相对变化大。）电参量相对变化大。比如电容式压力传感器的电容相对变化：比如电容式压力传感器的电容相对变化：C/C100%-200%传感器信噪比大，感器信噪比大，稳定性定性好好3）动态特性好）动态特性好4）能量损耗小）能量损耗小5）结构简单，适应性好。）结构简单，适应性好。n2.主要缺点主要缺点1）非线性大，特别是极距变化型。所以一般可）非线性大，特别是极距变化型。所以一般可采用差动式结构来改善采用差动式结构来改善采用比例运算放大电采用比例运算放大电路。路。2）电缆分布电容影响大，导致测量误差）电缆分布电容影响大，导致测量误差解决办法：解决办法：利用集成电路利用集成电路采用双屏蔽传输采用双屏蔽传输电缆电缆n3.应用举例应用举例电容式声传感器电容式声传感器本质：极距本质：极距变化型电容式传感器变化型电容式传感器驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。器。特点是体积小、性能优越、使用方便。n利用电容传声器还可以来测量噪声，组成噪声测利用电容传声器还可以来测量噪声，组成噪声测量仪。量仪。n噪声测量仪有两种：噪声测量仪有两种：传声器（话筒）传声器（话筒）声级计声级计n电容式压力传感器电容式压力传感器电容式压力传感器一般都利用电容式压力传感器一般都利用弹性膜片弹性膜片作为作为敏感元件敏感元件，利用弹性膜片在压力作用下的变形，利用弹性膜片在压力作用下的变形，以改变以改变膜片与电容固定电极之间的距离膜片与电容固定电极之间的距离，由此改，由此改变电容式传感器的变电容式传感器的电容量电容量。图为差动式电容压力。图为差动式电容压力传感器的结构原理图。由图可知，该传感器主要传感器的结构原理图。由图可知，该传感器主要由一个动电极、两个固定电极和这三个电极的引由一个动电极、两个固定电极和这三个电极的引出线组成。动电极为圆形薄金属膜片，它既是动出线组成。动电极为圆形薄金属膜片，它既是动电极，又是压力的敏感元件，固定电极为中凹的电极，又是压力的敏感元件，固定电极为中凹的镀金玻璃圆片。镀金玻璃圆片。当被测压力当被测压力(或压差或压差)通过过滤器进入空腔时，通过过滤器进入空腔时，弹性膜片两侧的压力差使膜片凸向一侧。这一位弹性膜片两侧的压力差使膜片凸向一侧。这一位移使两个镀金玻璃圆片与膜片之间的移使两个镀金玻璃圆片与膜片之间的电容量发生电容量发生变化变化，经过测量电路再转换成相应的，经过测量电路再转换成相应的电压或电流电压或电流变化变化。当两极板之间的距离很小时，压力和电容。当两极板之间的距离很小时，压力和电容之间为线性关系。之间为线性关系。陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在作用在陶陶瓷膜片瓷膜片的的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。压力变送器压力变送器电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/料位计）料位计）介质变化型介质变化型电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测被测电容电容测量头测量头构成电容器的一个极板，构成电容器的一个极板，另一个极板是另一个极板是物体本身物体本身，当物体，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化.接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体并不限于金属导体，也，也可以是绝可以是绝缘的液体或粉状物体缘的液体或粉状物体。电容测厚仪电容测厚仪下图为测量厚度的电容测厚仪原理图。在被下图为测量厚度的电容测厚仪原理图。在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等，与测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带材距离相等的极板带材距离相等的极板2，这样极板与带材就形成了，这样极板与带材就形成了两个电容器。把两块极板用导线连接起来就成为两个电容器。把两块极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就是电容的另一个极板，一个极板，而金属带材就是电容的另一个极板，其总电容其总电容CxC1+C2=2C。如果带材厚度发生变化，。如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化。用交流电桥将电容的变化则引起电容量的变化。用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由电容测厚仪显示出检测出来，经过放大，即可由电容测厚仪显示出带材厚度的变化带材厚度的变化。