传感器2(电容、电感、热电、压电)

大连交通大学,第二章、检测技术与传感器,0,真空的介电常数，,(0=8.85410,-12,F/m）；,S,极板的遮盖面积（m2)；,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（m)。,2.3 电容传感器,一、,电容式传感器的变换原理,极距变化型、面积变化型、介质变化型,第二章、检测技术与传感器,二、极距变化型电容传感器,当极板间距离变化,第二章、检测技术与传感器,灵敏度：,线性度,：,差动电容：,第二章、检测技术与传感器,第二章、检测技术与传感器,灵敏度：,单个电容传感器,灵敏度提高，非线性分量减小(偶次项消失)。,三、,面积,变化型电容传感器,第二章、检测技术与传感器,面积,变化型电容传感器的输入/输出关系在理论上是线性的,当覆盖面积对应的中心角为、极板半径为r时,第二章、检测技术与传感器,角位移型,线位移型,宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化,灵敏度,第二章、检测技术与传感器,x,外圆筒与内圆筒覆盖部分长度（m)；,r,2,、,r,1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（m)。,灵敏度,面积变化型电容传感器的输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。,第二章、检测技术与传感器,第二章、检测技术与传感器,差动电容：,四、,介质,变化型电容传感器,测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(C)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量的改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。,第二章、检测技术与传感器,五、电容传感器应用,第二章、检测技术与传感器,C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为C=C1+C2。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。,第二章、检测技术与传感器,当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为,z,频率为,f,则转速为:,第二章、检测技术与传感器,六、电容传感器等效电路,严格条件下，电容元件的损耗和电感效应不可忽略。,R,P,为并联损耗电阻，代表极板间的泄漏电阻和介质损耗，低频影响较大。,R,S,为引线电阻、极板电阻和电容支架电阻，高频时有影响。,L为引线电感和自身电感。,等效电容,与引线电感等有关，使用时必须与标定条件相同。,电感式传感器是把被测量转化为电感量变化的一种装置。,一、可变磁阻式电感传感器,被测量,自感系数变化L,可变磁阻式,涡电流式,互感系数变化M,差动变压器式,2.电感式传感器,第二章、检测技术与传感器,1.磁路及磁路欧姆定律,工程上把主要有铁磁物质所组成，能使磁力线集中通过的整体成为,磁路,。,设无分支磁路横截面积为A，平均长度为l,磁导率为，磁通量为，线圈匝数为W,线圈电流I。,第二章、检测技术与传感器,磁路欧姆定律,对应电路,2.磁阻分析,当线圈中通以电流i时，产生磁通，其大小与电流成正比，即 ，W为线圈匝数，L为比例系数，也称之为自感。,被测量变化,变化,L变化,铁芯的长度,铁芯磁导率,铁芯导磁横截面积,空气隙长度,空气磁导率,空气隙导磁横截面积,第二章、检测技术与传感器,灵敏度,为非线性关系，适用于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm.,为线性关系,第二章、检测技术与传感器,第二章、检测技术与传感器,自感,L,与面积成线性关系，这种传感器灵敏度较低。,变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。,差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按,第二章、检测技术与传感器,单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。,双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化。,第二章、检测技术与传感器,输出特性,二、涡流式电感传感器,1.原理及特性,涡流效应,:金属板置于激励线圈产生的交变磁场中，导体内产生感应电流，这种电流呈闭合曲线，称为“涡流”。这种现象称为涡流效应。,第二章、检测技术与传感器,涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h，金属板与线圈的距离，激励电流角频率等参数有关。,（1）,高频反射式,高频(lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗Z 的变化，其变化与该金属板到线圈的距离、金属板的电阻率、磁导率、激励电流i，及角频率等有关。通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,第二章、检测技术与传感器,（2）,低频透射式,第二章、检测技术与传感器,发射线圈,1,和接收线圈,2,分别置于被测金属板材G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e,1,加到线圈,1,的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材G,使线圈,2,产生感应电动势e,2,。,由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关。,试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,第二章、检测技术与传感器,2.涡流传感器的应用,第二章、检测技术与传感器,转速测量,穿透式测厚,第二章、检测技术与传感器,表面裂纹测量,零件计数器,第二章、检测技术与传感器,径向振动测量,轴心轨迹测量,三、差动变压器式电感传感器,1.原理及特性,差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感压电动势e,1,和e,2,。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即e,y,=e,1,-e,2,。,互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。,第二章、检测技术与传感器,衔铁居中,M1=M2,e,y,=e,1,-e,2,=0,衔铁偏移,M1M2,e,y,=e,1,-e,2,0,e,y,=f(x),被测位移,第二章、检测技术与传感器,第二章、检测技术与传感器,2.,差动变压器,的测量电路,图示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，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、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。,第二章、检测技术与传感器,2.热电式传感器,一、热电偶及热电效应,两种不同材料的导体连接成闭合回路，当两个接触点温度T和T,0,不相同时，回路中就会产生热电势，这种把热能转换成电能的现象称为,热电效应,。,这两种材料的组合称为,热电偶,第二章、检测技术与传感器,热电势=接触电势+温差电势,两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果N,A,N,B,电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具有正电位。导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为,接触电势,。,K为玻耳兹曼常数；e为电子电荷量：N,A,(T)、N,B,(T)为A、B两种材料在温度T时的自由电子密,度。,第二章、检测技术与传感器,对单一导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为,温差电势,。,为汤姆逊系数，与材料性质及两端温度有关。,第二章、检测技术与传感器,温度相同无热电势产生，材料相同无热电势产生。,第二章、检测技术与传感器,1.,均质导体定律,由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。,二、热电偶基本定律,第二章、检测技术与传感器,2,.中间导体定律,将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电势无影响。,第二章、检测技术与传感器,3,.中间温度定律,热电偶在接点温度为T、T,0,时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、T,c,和T,c,、T,0,时热电动势的代数和，即,两端点在任意温度时的热电势为：,热电偶回路电势与两端温度有关，测量T端温度时，T0端温度要保持恒定或进行补偿。,第二章、检测技术与传感器,三、热电偶误差,四、晶体管温度传感器,1.分度误差 非线性,2.冷端温度误差 冷端温度为零,3.测量线路及仪表误差 与传感器配套,4.干扰和漏电误差 附加电势,利用晶体管PN结的伏安特性与温度有关可以构成温度检测元件。,第二章、检测技术与传感器,2.压电式传感器,一、压电效应,某些物质(物体)，当沿着一定方向对其施加力而使它变形时，在其表面上会产生电荷;去掉外力则恢复原来的状态。这种现象称为,压电效应。,如果将这些物质(物体)置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质(物体）产生机械变形的现象，称之为,逆压电效应,，或称为,电致伸缩效应,。,具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或称为压电元件)。常见的压电材料可分为两类：压电单晶体和多晶体压电陶瓷。,压电单晶体：,石英、水溶性压电晶体等,多晶体压电陶瓷：,钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系列压电陶瓷等,第二章、检测技术与传感器,截取石英晶片，若对其施力，则有几种不同的效应。,纵向压电效应：沿电轴(x铀)方向施加作用力；,横向压电效应：沿机械轴(y轴)方向施加作用力；,在光轴(z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,第二章、检测技术与传感器,纵向压电效应,：,沿电轴施加作用力，在与电轴垂直,平面产生电荷。,压电系数，与变形方向有关。,第二章、检测技术与传感器,横向压电效应,：,沿机械轴施加作用力，仍在与电轴垂直平面产生电荷，极性相反。,a为压电晶片长度，,b为压电晶片厚度,第二章、检测技术与传感器,在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。,二、压电式传感器及其等效电路,当压电晶片受到压力作用时，在两个极板上积聚数量相等极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。,等效电路：电荷源+电容器,并,联,时，传感器的电容量大，输出电荷量大，时间常数大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出情号，串联时，传感器本身的电容量小，响应较快，输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。,元件的串并联,第二章、检测技术与传感器,第二章、检测技术与传感器,三、测量电路,由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常把信号先送到高输入阻抗的前置放大器进行放大,。,前置放大器,信号放大,阻抗变换,电压放大器-输出与电压成正比,电荷放大器-输出与电荷成正比,利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小的程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故,压电传感器适宜作动态测量,。,第二章、检测技术与传感器,带电容反馈的电