感测技术ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 基本电量传感器,第二章 基本电量传感器,1,第二章 基本电量传感器,基本电量电阻电位器式传感器,基本电量电感电感式传感器,基本电量电容电容式传感器,第二章 基本电量传感器基本电量电阻电位器式传感器,2,第二章 基本电量传感器,电位器式位移传感器,位移电位器抽头联动，,电阻变化转换电路,电压的变化处理电路,非电量（力、位移、形变、速度和加速度等）变化,敏感元件,电阻变化,第二章 基本电量传感器,3,第二章 基本电量传感器,电位器式传感器具体测量：直线位移,角度位移,线绕式为主，电阻和电压的分压与位移线性成比例,噪声与结构：,自由电子随机运动，,均匀的频谱；,第二章 基本电量传感器电位器式传感器具体测量：直线位移,4,第二章 基本电量传感器,接触噪声、摩擦噪声、振动噪声,电位器式位移传感器应用,测量毫米到米、度到360度。,第二章 基本电量传感器接触噪声、摩擦噪声、振动噪声,5,第二章 基本电量传感器,电感式传感器,第二章 基本电量传感器电感式传感器,6,第二章 基本电量传感器,2.2.1 自感式位移传感器,可变化的部分：气隙、铁芯面积、活动衔铁,2.2.2 差动式自感传感器,公共衔铁的两个相同自感传感器，克服零位输出、提供灵敏度、减少误差。物体有位移，一个线圈电感增加，另一个减小，形成差动形式。,第二章 基本电量传感器2.2.1 自感式位移传感器,7,第二章 基本电量传感器,2.2.3 互感式电感传感器,变压器式，常用差动形式，初级线圈输入激励电压，两个结构相同的次级线圈反向串联输出差动电压,灵敏度,线性度,零点残余电压及其消除：,第二章 基本电量传感器2.2.3 互感式电感传感器,8,第二章 基本电量传感器,残差产生的原因：次级线圈不对称；铁芯非线性，高次谐波不能对消。,采取措施：力求对称；拆线圈；电路补偿并联电位器、电容；串联电阻、并联电容在次级线圈电路。,第二章 基本电量传感器残差产生的原因：次级线圈不对称；铁芯,9,第二章 基本电量传感器,2.2.4 电涡流式传感器,高频发射式为主，涡流作用范围是线圈外径的1.4倍。,高频回路阻抗与被测材料电阻率、导磁率、激励信号频率和距离有关：,第二章 基本电量传感器2.2.4 电涡流式传感器,10,第二章 基本电量传感器,2.2.5 电感传感器典型应用,自感式位移传感器（螺线管式）,被测物带动衔铁上下动，差动式线圈输出电压差，应用于位移、轴跳动、零件受热变形等。,第二章 基本电量传感器2.2.5 电感传感器典型应用,11,第二章 基本电量传感器,差动变压器式微小位移测量,第二章 基本电量传感器差动变压器式微小位移测量,12,第二章 基本电量传感器,涡流位移传感器,第二章 基本电量传感器涡流位移传感器,13,第二章 基本电量传感器,涡流振幅测量,第二章 基本电量传感器涡流振幅测量,14,第二章 基本电量传感器,涡流厚度测量,第二章 基本电量传感器涡流厚度测量,15,第二章 基本电量传感器,涡流探伤,第二章 基本电量传感器涡流探伤,16,第二章 基本电量传感器,第二章 基本电量传感器,17,第二章 基本电量传感器电容式传感器,3.1 电容式传感器的结构和工作原理,典型应用范围：(角)位移、振动、加速度、物位、成分含量、层析、差压,一、基本工作原理（物理学内容的复习）,1.平行板电容器,电容量,C,+,-,d,A,平行板电容器,电力线,忽略了边缘效应,当平行板的间距,d,远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。,第二章 基本电量传感器电容式传感器3.1 电容式传感器,18,R,r,L,同心圆筒形电容器,2.,同心圆筒形电容器,忽略了边缘效应:,L,(,R,r,),在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在待测对象的作用发生变化，其电容量将随之改变，这就是电容式传感器的物理基础。对于平行板电容器可以变化的参数有：,、,A,、,d,等,；对于同心圆筒形电容器可以变化的参数有：,、,L,、,r,/,R,等,。,RrL同心圆筒形电容器 2.同心圆筒形电容器忽略了边缘,19,二、变极距型电容式传感器（平行板电容器式）,当极距,d,0,d,1,=,d,0,-,d,时，则电容量,C,0,C,1,。,C,0,0,然而，,d,0,受介质的绝缘强度限制（空气:约 3KV/mm），不可太小。通常，,d,在25200,m,之间，,d/d,0,0.1（非线性误差不可太大）。,利用,d,C,的特性，可以测量微小位移或厚度。,二、变极距型电容式传感器（平行板电容器式）当极距 d0 d,20,三、变极板面积形电容传感器,定极板,动极板,平板电容式角位移传感器,1.角位移传感器,模型：两半圆形板极(定板极和动板极)的间距为,d,面积均为,A,，可绕同圆心转动，其夹角为,。,C,1,（,C,）,与,（角位移）成线性关系。,三、变极板面积形电容传感器定极板动极板平板电容式角位移传感器,21,D,0,D,1,L,a,圆柱形电容式线位移传感器,2.同心圆筒形线位移电容式传感器,模型：如右图。初始电容,C,0,：,当内筒上移为,a,时，内外筒间的电容,C,1,为：,D0D1La圆柱形电容式线位移传感器 2.同心圆筒形线,22,四、动介质型电容式位移传感器,变介质片电容器传感器,模型：如右图，这种电容可以看成是,C,A,、,C,B,两个电容的并联。设板极宽度为,b,则：,C,与,a,成线性关系。,多层电容传感器,由于单层平板式电容的容量较小，所以实际应用中常常采用多片重叠极板并将其并联，以增大容量。如收音机的调谐电容等。,四、动介质型电容式位移传感器变介质片电容器传感器 模型,23,五、电容式传感器的输出特性,从前述讨论可知，变极板面积形电容传感器的电容量与作用量（,、,L,）间呈严格的线性关系，而变极距型电容式传感器仅在,d,/,d,较小时呈近似线性关系。按线性关系处理，必然带来一定的非线性误差。,d,/,d,0,C,1,C,0,为减小或消除这种非线性误差，可采用差动电容式传感器。,动板极,定板极,差动电容传感器,1.差动电容式传感器及其输出特性,(,C,1,、,C,2,的介质相同),设初态,d,01,=,d,02,=,d,0,则,C,01,=,C,02,=,C,0,。动板极上移,d,：,不会过零点的,五、电容式传感器的输出特性 从前述讨论可知，变极板面积,24,2.变极距型电容式传感器的输出特性,2,4,6,8,10,20,30,40,差动电容传感器输出特性曲线,2.变极距型电容式传感器的输出特性246810203,25,对这两个输出特性作一简单的比较即可发现，差动电容传感器的非线性因子要比变极距型电容式传感器的非线性因子小得多，做近似性线性处理后，差动电容传感器的非线性误差自然也要小得多。,3.近似公式的非线性相对误差,差动电容传感器,变极距型电容式传感器,实际公式,近似公式,实际公式,近似公式,对这两个输出特性作一简单的比较即可发现，差动电容传感,26,六、电容式传感器的输出灵敏度,输出灵敏度的定义：电容量的变化,C,与引起该变化的机械位移,L,(,d,)的比值。,1.平板型变极距型电容式传感器的输出灵敏度,六、电容式传感器的输出灵敏度 输出灵敏度的定义：电容量,27,3.2 电容式传感器的等效电路及特性,一、电容式传感器的等效电路,图3-9电容式传感器的等效电路,R,P,并联损耗电阻,(板极间的漏电及介质损耗),R,S,串联损耗电阻,(引线电阻及高频驱肤效应),L,分布电感,C,传感器电容,在,R,P,、R,S,忽略时，传感器的等效电容,C,e,由:,容抗,感抗,3.2 电容式传感器的等效电路及特性一、电容式传感器的等效电,28,二、电容式传感器的几个典型特点,1.高阻抗,直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/(,jC,)由于,C,一般较小，当频率,不太高时交流阻抗也很大。,2.小功率,功率,P,C,=,UI,=,U,2,C,，由于,C,很小，则在,频率,不太高时,P,C,也很小。,3.存在静电吸引力,由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。,4.测量回路通常要用交流回路。,三、边缘效应及修正,+,-,带保护环的,平行板电容器,保护环,+,-,d,平行板电容器,电力线,边缘效应,实际电容量：,修正方法：使用保护环。,二、电容式传感器的几个典型特点 1.高阻抗三、边缘效应,29,3.3 电容式传感器的信号变换电路,一、交流不平衡电桥,对于差动电桥：,实际上，对于差动电容,传感器，初态电容,C,1,=,C,2,=,C,则其初态阻抗：,关于平板型差动电容式传感器的详细讨论,3.3 电容式传感器的信号变换电路一、交流不平衡电桥对于差动,30,交流电桥,电桥输出电压与被测位移量有关外，还与电桥的电源电压有关。,交流电桥 电桥输出电压与被测位移量有关外，,31,二、差动脉宽调制电路,A,1,A,2,U,r,R,1,R,2,C,1,D,1,D,2,C,2,Q,Q,A,C,B,D,A,3,+V,-V,U,0,R-S,触发器,脉冲宽度调制电路,1.电路基本结构（,R,-,S,触发器）,2.工作过程,设加电初态 则,C,1,充电。开始时刻，,V,C,、,V,D,U,r,A,2,输出低,输出低电平 ,C,1,经,D,1,放电,V,C,U,r,A,1,输出低电平 ,C,2,经,D,2,放电,V,D,P,L,时，中心膜片上凸，上部电容为,C,L,，下部电容为,C,H,。此时，,C,H,相当于当前膜片位置与平直位置间的电容,C,A,和,C,0,的串联；而,C,0,又可以看成是膜片上部电容,C,L,与的,C,A,串联。即：,凸玻璃圆片,弹性膜片(动电极),固定电极,P,差动电容式差压传感器,P,弹性膜片(动电极),固定电极,电容式压力传感器,C,A,C,L,C,H,C,0,C,0,C,A,等效电路,h,max,d,0,C,A,C,L,C,H,C,0,P,H,P,L,现在，需要解决的问题是，中心膜片处于平直状态时，,C,0,=C(,d,0,)=?；当,P,H,P,L,模片上凸,h,max,时，,C,A,=C(,h,)=?。,3.4 电容式传感器的应用 1.电容式压力传,35,电容量分析,设膜片半径为,a,，球冠形固定电极的半径为,R,，固定电极的实际拱底半径为,b,，拱底距膜片的距离为,d,b,，当,d,0,R,时：,R,b,a,d,b,d,0,实线为球冠型固定电极,在,P,H,-,P,L,作用下中心膜片的上凸量,h,近似为:,而,C,A,为：(积分求解过程省略),利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出,U,0,：,输出,U,0,与差压,P,H,-,P,L,成正比。,计算点半径,电容量分析Rbadbd0实线为球冠型固定电极在PH,36,2.,电容式物位传感器（物位计）,根据电容式物位计原理示意图，可以得到该同心圆筒形电容器的总电容,C,与,L,x,成正比：,R,r,L,电容式物位计原理示意图,L,x,一种实际的电容式液位计模型,这种电容式液位计适合用于测量水或其它具有导电性质液体的液位，浸没在液体中的绝缘电缆的芯线作为同轴电容器的内导体，导电性液体作为,外导体，绝缘层为电介质,介电常数为,=,0,r,。,当,浸没深度为,h,，电缆的芯线直径为,d,1,，电缆外径为,d,2,时，芯线与导电液体间的电容,C,x,：,与,h,成正比。,C,d,C,d,C,1,C,2,C,C,e,B,A,M,C,x,L,1,L,2,E,1,E,2,D,1,D,2,D,3,D,4,水,水中电缆断面,防水绝缘层,芯线,h,一种实际的电容式物位计,2.电容式物位传感器（物位计）RrL电容式,37,模型电路分析,这种电容式液位计的测量电路由环形二极管电路构成，用频率为,f,(周期为,T,)的方波驱动。方波低电平为,E,1,，高电平为,E,2,，工作过程如下：,方波高电平期间,方波电