04bP40第四章24电感电容压电传感器lpj

铁芯 衔铁
线圈
线圈
铁芯
特点：灵敏度更低，但测量范围大，线 性也较好，同时还具备自由行程可任意安 排，制造装配方便等，其应用比较广泛。
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第四章 常用传感器原理及应用 以上三种类型的自感式传感器在实际应用时，一般由两单一 结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构除了 可以改善非线性，提高灵敏度外，对电源电压及温度变化等外 界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。
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第四章 常用传感器原理及应用
案例：张力测量
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第四章 常用传感器原理及应用
三、电涡流式传感器
原理:将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电， 这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应。
使原线圈的等效阻抗 Z 发生变化
高频交 变电流
线圈
交变磁 通φ
电涡流
交变磁 通φ1
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第四章 常用传感器原理及应用
2 3l C ln(R r )
中间介质的介电常数
液体浸没长度，即电极长度
绝缘覆盖层外半径
★ 电容传感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电路， 调频电路，运算放大器电路等。 ★ 电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等 ★ 影响测量精度的主要因素：电路寄生电容、电缆电容和温 度、湿度等外界干扰。以往减小这些干扰的措施成本很高，但 随着集成电路技术的发展和工艺的进步，已使上述因素的影响 大为减小，为电容传感器的应用开辟了广阔的前景。 26
(a)
(b)
(c)
差动式电感传感器 (a) 变间隙型 (b) 变面积型 (c) 螺管型 1—线圈 2 —铁芯 3 —衔铁 4 —到杆
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第四章 常用传感器原理及应用
二、差动变压器式传感器
差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数 M 的 变化。传感器本身是互感系数可变的变压器。因为它是基于互感 变化的原理，故也称为互感式传感器。 W1 EW1 Eout W
振荡电路
被测电容
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第四章 常用传感器原理及应用
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第四章 常用传感器原理及应用
第四节 压电式传感器
压力 压电材料 一、压电效应 产生电荷
某些材料（如石英），当沿着一定方向受到外力作 用时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产 生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种 现象称为压电效应。 相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产 生机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种 现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。
作用力 纵向压电常数
石英晶体：压电常数比较低，d11=2.31×10-12C/N 良好的机械强度和时间及温度稳定性。 适用于精确度和稳定度要求特别高的场合。 铌酸锂晶体：是人工拉制晶体。居里点高（12000C)，适用于做 高温传感器；缺点：质地脆，抗冲击性差，价格较贵
2、 压电陶瓷
压电陶瓷——是一种经极化处理后的人工多晶体。如钛酸钡、 锆钛酸钡。 压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏度高，价格低廉，居里点较低33
Ew
EW2
输出电压 Eout=EW1-EW2 ，当铁芯在中 央位置时，EW1=EW2 。
W2
Es -x x
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第四章 常用传感器原理及应用
单螺管线圈型
螺管线圈差动
双螺管线圈差动型 传感器测量电路
~
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第四章 常用传感器原理及应用
差动变压器位移传感器
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第四章 常用传感器原理及应用
案例：板的厚度测量
~
+ + +
灵敏度
dC r =常数 K d 2
2
(4-24)
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第四章 常用传感器原理及应用
柱面线位移型.
电容量
2 x 2 x C ln(R / r ) ln(D / d )
dC 2 灵敏度 K =常数 dx ln(R / r )
面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大 位移的测量。 23
第四章 常用传感器原理及应用
第二节
电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化 为电感量的一种装置。 可变磁阻式 自感式 涡流式 电感式传感器分类 互感式 优点：灵敏度高（能测0.1μm的位移）、线性较好 （非线性误差0.1%）、输出功率大等。
缺点：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低
电荷分布在垂直于x轴的平面上。
★ 纵向压电效应 ——沿x 轴受力产生的压电效应；横向压电效应 ——沿 y
轴受力产生的压电效应；切向压电效应——沿切向受力产生的压电效应
z Fx
+ Fx
z +
-
Fy
-
z
+
Fy
x
x
Fy
x
Fy
y
y
பைடு நூலகம்
y
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第四章 常用传感器原理及应用
由纵向压电效应产生的电荷量q为：
q d11 F
2
(4-17)
4
第四章 常用传感器原理及应用 2 、变面积式 原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间 相对而言覆盖面积随被测量的变化而改， 导致线圈的电感量发生变化， 特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵 敏度为一常数，因而线性度较好，量程范 围可取大些，自由行程可按需要安排，制 造装配也较方便，因而应用较为广泛。 3 、螺管式 原理：衔铁随被测对象移动，线圈 磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈 电感量也因此而变化。
压电元件可等效为一个具有一定电容的电荷源。电容器上的开 路电压U0为
压电元件上所产生的电荷量
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第四章 常用传感器原理及应用 ★ 当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成 传感器的并联寄生电容 Cc，传感器中的漏电阻和后继电路的输 入阻抗形成泄漏电阻R0，等效电路为： q
Ca
Cc
R0
★ 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件 本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无法保持不变， 从而造成测量误差。因此，不宜利用压电式传感器测量静态或 准静态信号，而适宜做动态测量。 ★ 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往是两片 + 或多片进行串联或并联。 +
光轴z——纵轴线，沿该轴方向 无压电效应。 电轴x——通过六角棱柱的棱而 垂直于光轴的轴。在垂直于此轴 的平面上压电效应最强。 机械轴 y—— 垂直于棱面的 y 轴 ，在电场作用下，沿该轴的机械 变形最明显。
光轴
电轴 机械轴
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第四章 常用传感器原理及应用 ★ 从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力的作用时，其
2 ( 2 1 )l C ln(R r )
液体的介电常数
(4-26)
液体浸没长度
C l
介电常数 2 =r2× 0
图4-10液位测量示意图
真空的介电常数 0=8.85×10-12 F/m
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第四章 常用传感器原理及应用 如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物（如聚乙 烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此 时两极间的电容量为：
第三节 电容式传感器 原理：将被测量的变化转化为电容量变化。 介电常数 两平行极板组成的电容 + 器,它的电容量为: A两极板相
+
+
互覆盖的 面积
A C
(4-18)
极板间的距离
介电常数 = r× 0
电容式传感器的三 种类型： 极距变化型 面积变化型 介电常数变化型
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真空的介电常数 0=8.85×10-12 F/m r 相对介电常数 ，空气的相对介电常数 r=1
N2 L Rm
线圈匝数 磁路总磁阻
线圈
(4-14)
铁芯
由于 δ 很小，可认为气隙磁场是均匀 的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为
衔铁
铁芯导磁长度 铁芯磁导率
l 2 Rm A 0 A0
铁芯截面积 空气磁导率
(4-15)
气隙长度 气隙截面积
0 4 107 亨/米
3
第四章 常用传感器原理及应用
bx (4-20) C dC b 灵敏度 K =常数 (4-21) dx
输入与输出成线性关系
b
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第四章 常用传感器原理及应用
角位移型 r θ
+ + +
(a) 平面线位移型
(c) 圆柱体线位移型
(b) 角位移型
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第四章 常用传感器原理及应用
角位移型
+ + +
r θ
2 r 2 覆盖面积 A r 2 2 (4-22) r 2 所以，电容量 C (4-23) 2
第四章 常用传感器原理及应用
产品.
电容式液位传感器（液位计/料位计）
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第四章 常用传感器原理及应用 测量头构成电容器的一个极板， 另一个极板是物体本身，当物体 移向接近开关时，物体和接近开 电容式接近开关 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 生变化.接近开关的检测物体， 被测物体 感应电极 并不限于金属导体，也可以是绝 缘的液体或粉状物体。
原线圈的等效阻抗Z变化：
Z Z ( , , , )
线圈与金属 板的距离 金属板的 电阻率 金属板的 磁导率
线圈激励 角频率
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第四章 常用传感器原理及应用
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第四章 常用传感器原理及应用
案例：无损探伤
火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
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第四章 常用传感器原理及应用
第四章 常用传感器原理及应用
3、新型压电材料
（1）有机压电薄膜 某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成具有 压电特性的薄膜。 如聚偏氟乙烯（PVF2)、聚氟乙烯（PVF)等。 特点：柔软，不易破碎，面积大等。可制成大面积阵列传感 器和机器人触觉传感器。
（2）压电半导体 有些材料，如硫化锌（ZnS)、氧化锌（ZnO)、硫化钙(CaS)、 砷化镓（GaAs)等，既具有半导体特性，又有压电特性。因此， 既可利用压电性能制作敏感器件，又可利用半导体特性制成电 路器件，研制成新型集成压电传感器。
l 2 Rm A 0 A0
由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略
2 Rm 0 A0
N 2 0 A0 L 2
dL N 2 0 A0 2
2
(4-16)
d
这种传感器适用于较小 位移的测量，测量范围 约在0.001~1mm左右。
传感器灵敏度：K
N 2 0 A0 2
最大的△δ应小于极板间距δ的1/5～1/10。因此极距变化型电 容传感器的量程范围在0.01um—数百um。为了提高灵敏度和 改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式。灵敏度可 提高一倍。
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第四章 常用传感器原理及应用
2.面积变化型 在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位 移型两种。图为直线位移型。当动极板沿x方向移动 时，动、静极板覆盖面积发生变化，电容量也随之变 化。 其电容量 x
第四章 常用传感器原理及应用
3. 介电常数变化型
这种类型的传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。
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第四章 常用传感器原理及应用 两圆筒间为空气介质的电容为：
空气的介电常数 电极长度
21 L C ln(R r )
外电极内半径
(4-25)
内电极外半径
如果电极的一部分被非导电性液体 所浸没时，则会有电容量的增量△C 产生
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第四章 常用传感器原理及应用
一、 自感式传感器
分变气隙式、变面积式、螺旋管式三类 见图4-4
1、变气隙式 变气隙式自感传感器由线圈、铁心和 衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上,衔铁 和铁心间有一气隙δ 。 线圈自感量L为：
线圈 铁芯
衔铁
N2 L Rm
线圈匝数 磁路总磁阻
(4-14)
2
第四章 常用传感器原理及应用 线圈自感量L为：
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第四章 常用传感器原理及应用
三、等效电路
晶片两表面相当于电 容器的两个极板 两极板之间的压电材 料等效于电介质
F
++++++++
- - - - - - -
蒸镀金属 形成电极
因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为
A Ca
q U0 Ca
极板面积 压电材料的介电常数 压电晶片的厚度
二、 压电材料及其特性 常用的压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷 30 和新型压电材料。
第四章 常用传感器原理及应用 1、 压电单晶 压电单晶为单晶体 ，各 向异性。主要有石英（Si02 ）、铌酸锂（LiNb03）等 石英晶体有天然与人工 之 分 ， 是压 电 单 晶体 中 最 具 代 表 性的 。 石 英晶 体 呈 六 角 棱 柱体 。 有 光轴 （ 中 性轴） 、电轴和机械轴。
第四章 常用传感器原理及应用
相对介电常数
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第四章 常用传感器原理及应用
1.极距变化型 灵敏度
+ +
+
+ +
dC 1 K A 2 d
+
(4-19)
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第四章 常用传感器原理及应用
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器。 特点是体积小、性能优越、使用方便。