-第03章电感式传感器-PPT课件.ppt

1、 第三章第三章 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为器可以分为自感式自感式和和互感式互感式两大类。两大类。电感传感器的电感传感器的主要特征主要特征是是具有电感绕组具有电感绕组。3.1工作原理工作原理1.变间隙型变间隙型结构示意图如右图所示结构示意图如右图所示原理分析原理分析工作时衔铁与被测物体连接，被工作时衔铁与被测物体连接，

2、被测测 物体的位移将引起空气隙的长物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。化，导致了线圈电感量的变化。3.1.1 自感式传感器自感式传感器2.变面积型变面积型 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面改变，从气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器变面积型电感传感器，其结构示意，其结构示意图见下图。图见下图。3.螺管型螺管型 如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，如右图所示，线圈中

3、放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就可构成量将相应变化，这就可构成螺管型传感器螺管型传感器。通过以上三种形式的电感式传感器的分析通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论可以得出以下几点结论:1.变间隙型灵敏度较高变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大但非线性误差较大,且制作装配比较困难。且制作装配比较困难。2.变面积型灵敏度较前者小变面积型灵敏度较前者小,但线性较好但线性较好,量程较大量程较大,使用比较广泛。使用比较广泛。3.螺管型灵敏度较低螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产但量程大且

4、结构简单易于制作和批量生产,是使用最是使用最 广泛的一种电感式传感器。广泛的一种电感式传感器。3.1.2 互感式传感器互感式传感器 互感式传感器本身是其互感系数可变的互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。常称之为差动变压器式传感器。这种传感器的工作原理如右图所示。这种传感

5、器的工作原理如右图所示。3.2 转换电路和传感器灵敏度转换电路和传感器灵敏度被测量被测量 x L(M)转换电路及转换电路及信号调节信号调节电量电量传感器转换电路调幅电路调频电路调相电路 自感传感器的自感传感器的灵敏度灵敏度是指传感器结构是指传感器结构(测头测头)和转换电路综合在一起的总灵敏度。和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器的灵敏度传感器的灵敏度(单位：单位：mV/（m V）)传感器结构灵敏度传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即 (1式式)转换电路的灵敏度转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压定义为空

6、载输出电压uo与自感相对变化之比，即与自感相对变化之比，即 (2式式)由式由式(1式式)和式和式(2式式)可得可得总灵敏度总灵敏度为为 xLLkt/)/()/(oLLukcxukkkctZ/o3.3 零点残余电压零点残余电压 衔铁位移衔铁位移x与电桥输出电压与电桥输出电压Uo有效值的关系有效值的关系曲线，如右图所示。曲线，如右图所示。虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为个最小的输出电压称为零点残余电压零点残余电压，并用，并用e0表表示。示。零残电压过大带来

7、的影响：零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。工作。产生的原因产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称：两电感线圈的等效参数不对称减小零点残余电压方法：减小零点残余电压方法：1.1.尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。2.2.

8、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。特性，减小零点残余电动势。3.3.采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。点残余电动势减小。3.4 应用举例应用举例下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器下

9、图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器 测头测头测杆测杆电感电感线圈线圈磁芯磁芯下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图下图是气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图 气体压力传感器气体压力传感器 加速度计用传感器加速度计用传感器旁向式差动电感式传感器旁向式差动电感式传感器总行程：1.5mm 测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m轴向式差动电感式传感器轴向式差动电感式传感器总行程：3mm 测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m总行程：1.5mm 测量力：0.120.18N示值变动性：0.05m特点：特点：不仅可以测量微米级直径，而且通过其在孔内旋转和平移可以测量其

10、椭圆度和圆柱度被测孔内径范围:2525120mm 120mm 测量力：1.31.30.30.3N N示值变动性：11m m特点：特点：不仅可以测量微米级直径，还可以测量轴的椭圆度和圆柱度被测轴直径范围:2525120mm 120mm 测量力：4 41.51.5N N示值变动性：11m m电子卡规、塞规电子卡规、塞规轴向式差动变压器式传感器轴向式差动变压器式传感器总行程：100mm 线性度：0.15%总行程：2 7mm 测量力：0.91.2N示值变动性：0.5m3.5 电涡流式传感器电涡流式传感器 涡流效应：涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水金属导体置于变

11、化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流电涡流或或涡流涡流。这种现象就称为。这种现象就称为涡流效应涡流效应。形成涡流条件存在交变磁场导电体处于交变磁场中3.5.1 工作原理工作原理如下图如下图a所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，时，线圈周围就产生一个交变磁场线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡电涡流也将产生一个新磁场流也将产生一个新磁场H2，H2与与

12、H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。有效阻抗发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图b的等的等效电路。效电路。a)电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图b)电涡流传感器等效电路图电涡流传感器等效电路图3.5.2 转换电路转换电路（一）电桥电路法（一）电桥电路法 图中图中A、B为传感器线圈，它们与电容为传感器线圈，它们与电容C1、C2，电阻电阻R1、R2组成电桥的四个组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，电桥臂。当传感器线圈的

13、阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，这种方法电路简单，主要用大和检波，这种方法电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。在差动式电涡流传感器中。（二）谐振电路法（二）谐振电路法调幅法调幅法 调频法调频法下图下图a是调幅法测量电路的是调幅法测量电路的原理图原理图 下图下图b调频法测量电路的原理图。调频法测量电路的原理图。b)图 4.3.6 调 幅 式 测 量 电 路 原 理 框 图晶 体 振 荡 器高 频 放 大 器检 波 器滤 波 器LRC输 出+UL1LC1CC2C3C4CxC5C6R1R2R3R4R5R6V1V2 a)（三）正反馈法（

14、三）正反馈法 正反馈法的测量原理如右图正反馈法的测量原理如右图所示，其特点是放大器的反馈所示，其特点是放大器的反馈回路是由电涡流传感器的线圈回路是由电涡流传感器的线圈组成。线圈阻抗变化时，反馈组成。线圈阻抗变化时，反馈放大电路的放大倍数发生变化放大电路的放大倍数发生变化，从而引起输出电压的变化。，从而引起输出电压的变化。因此，可以由输出电压的变化因此，可以由输出电压的变化来检测传感器与被测体之间距来检测传感器与被测体之间距离的变化。离的变化。3.5.3 低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 这种传感器采用低频激励，因而有较这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料

15、的厚大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。右图所示为这种传感器的原理图和输度。右图所示为这种传感器的原理图和输出特性。出特性。传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压器产生的低频电压u1加到发射线圈加到发射线圈L1两端，于是在接收线圈两端，于是在接收线圈L2两端将产生感两端将产生感应电压应电压u2，它的大小与它的大小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则L2的

16、磁力能较多穿过的磁力能较多穿过L2，在在L2上上产生的感应电压产生的感应电压u2最大最大.3.6 压磁式传感器压磁式传感器 铁磁材料的压磁效应的具体内容为：铁磁材料的压磁效应的具体内容为：材料受到压力时，在作用力方向磁导率材料受到压力时，在作用力方向磁导率减小，而在作用力相垂直方向，减小，而在作用力相垂直方向，略有增略有增大；作用力是拉力时，其效果相反；大；作用力是拉力时，其效果相反；作用力取消后，磁导率复原；作用力取消后，磁导率复原；铁磁材料的压磁效应还与外磁场强度有关。铁磁材料的压磁效应还与外磁场强度有关。右图所示为压磁式压力传感器右图所示为压磁式压力传感器(又称为又称为磁弹性传感器磁弹性

17、传感器)结构简图示例。结构简图示例。它由压磁元件它由压磁元件1、弹性支架、弹性支架2、传力钢、传力钢球球3组成组成 压磁式传感器结构简图压磁式传感器结构简图 压磁元件压磁元件(如下图所示如下图所示)的中间部分开有四个对称的小孔的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和和4，在，在孔孔1、2间绕有励磁绕组间绕有励磁绕组N12、孔、孔3、4间绕有输出绕组间绕有输出绕组N34。3.7 感应同步器感应同步器原理原理两个平面形绕组的互感随位置不同而变化两个平面形绕组的互感随位置不同而变化 长感应同步器长感应同步器-测量直线位移测量直线位移圆感应同步器圆感应同步器-测量转角位移测量转角位移组成组成=定尺定尺

18、+滑尺（如图）滑尺（如图）组成组成=转子转子+定子（如图）定子（如图）长感应同步器示意图长感应同步器示意图 a）定尺）定尺 b)转尺转尺 圆感应同步器示意图圆感应同步器示意图 a）定子）定子 b)转子转子感应同步器的优点感应同步器的优点具有较高的精度与分辨力。具有较高的精度与分辨力。抗干扰能力强。抗干扰能力强。使用寿命长，维护简单。使用寿命长，维护简单。可以作长距离位移测量。可以作长距离位移测量。工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于由于感应同步器具有上述优点，长感应同步器目前被广泛地应用于大位

19、移静态与动态测量中大位移静态与动态测量中;圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中。转台以及各种回转伺服控制系统中。指纹识别传感器指纹识别传感器电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器 指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。被称为第二代指纹识别系统。下图为指纹经过处理后的成像图：下图为指纹经过处理后的成像图：电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金指纹识别所需电容传感器包含一个大约

20、有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器 当用户的手指放在上面时，金属导体阵列当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物绝缘物/皮肤就皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。电容式指纹识别传感器电容式指纹识别传感器它的它的优点优点：体积小体积小成本低成本低成像精度高成像精度高耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中

21、使用。中使用。4.1 电容传感器原理电容传感器原理电容式传感器是将被测量（如尺寸、电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。一种传感器。实际上实际上,它本身（或和被测物）就是一它本身（或和被测物）就是一个可变电容器个可变电容器 4.1 电容传感器原理电容传感器原理 平行板电容器的电容为：平行板电容器的电容为：Ac(4-1)上式中，哪几个参量是上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？类型的电容传感器？4.2 电容传感器分类电容传感器分类 根据其改变参数不同，可将电容式传感器分为下三根据其改变参

22、数不同，可将电容式传感器分为下三种：种：改变极板间距离改变极板间距离()的极距型传感器的极距型传感器改变极板遮盖面积（改变极板遮盖面积（A A ）的面积型传感器）的面积型传感器改变电介质介电常数（改变电介质介电常数（0 0）的介质型传感器）的介质型传感器4.2 电容传感器分类电容传感器分类电容式传感器极距型面积型介质型电容传感器分类结构图如下4.2.1 极距式电容传感器极距式电容传感器极距式电容传感器当传感器的当传感器的r r和和A A为常为常数数,初始极距为初始极距为0 0时时,由由式式(4-1)(4-1)可知其初始电容可知其初始电容量量C C0 0为为000Acr(4-2)+4.2.1 极

23、距式电容传感器极距式电容传感器若电容器极板间距离由初始值0缩小,电容量增大C,则有 00000011)(cACCCr(4-3)4.2.1 极距式电容传感器极距式电容传感器 由式（由式（4-34-3）可知）可知,传感器的输出特性传感器的输出特性C=fC=f()不是线性关系不是线性关系,而是而是双曲线关系双曲线关系 此时此时C C1 1与与近似呈线性关系近似呈线性关系,所以变极距型电所以变极距型电容式感器只有在容式感器只有在/0 0很小时很小时,才有近似的线才有近似的线性输出性输出4.2.1 极距式电容传感器极距式电容传感器l另外另外,由式由式（4-34-3）可以看出可以看出,在在0 0较小时较小

24、时,对对于同样的于同样的变化所引起的变化所引起的CC可以增大可以增大,从而使传从而使传感器灵敏度提高。感器灵敏度提高。l但但0 0过小过小,容易引起电容器击穿或短路。容易引起电容器击穿或短路。l为此为此,极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质料膜等）作介质4.2.1 极距式电容传感器极距式电容传感器u此时电容此时电容C C变为变为:000ggAC(4-4)4.2.1 极距式电容传感器极距式电容传感器式中式中:g g云母的相对介电常数云母的相对介电常数,g g=7=7 0 0空气的介电常数空气的介电常数,0 0=1=1 d d0 0空气隙厚度空

25、气隙厚度 d dg g云母片的厚度云母片的厚度4.2.1 极距式电容传感器极距式电容传感器云母片的相对介电常数是空气的云母片的相对介电常数是空气的7 7倍倍,其击穿电其击穿电压不小于压不小于10001000kV/mmkV/mm,而空气的仅为而空气的仅为3 3kV/mmkV/mm。因。因此有了云母片此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。极板间起始距离可大大减小。同时同时,式式（4-44-4）中的中的(d dg g/0 0g g)项是恒定值项是恒定值,它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。4.2.1 极距式电容传感器极距式电容传感器一般变极板间距离电容式

26、传感器一般变极板间距离电容式传感器 起始电容在起始电容在 2020100pF100pF之间之间,极板间距离在极板间距离在2525200m200m的范围内的范围内,最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/101/10,故在微位移测量中应用最广故在微位移测量中应用最广4.2.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 改变极板间覆盖面积的电容式传感器改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有，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。图为典型的角位移型电容式传感器图为典型的角位移型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当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就

27、发生变化，因而导致电容量变化。就发生变化，因而导致电容量变化。4.2.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器+4.2.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 线位移型电容式传线位移型电容式传感器感器 平面线位移型平面线位移型和和圆圆柱线位移型柱线位移型两种。两种。4.2.3 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器的结构原理如图的结构原理如图所示所示4.2.3 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器这种传感器大多用于测量电介质的厚这种传感器大多用于测量电介质的厚度度(图图a a)、位移、位移(图图b b)、液位、液位(图图c

28、c)还可根据极板间介质的介电常数随温还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量度、湿度、容量(图图d d)等等。4.3 电容式传感器的常用测量电路电容式传感器的常用测量电路用于电容式传感器的测量电路很多用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电常见的电路有路有:运算放大器测量电路双T电桥电路此外电容式传感器的测量电路还有普通交流电桥电路变压器电桥电路和紧耦合电感臂电桥电路等调频电路脉冲调制电路4.3.1 调频测量电路调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输

29、入量导致电容量发生变化时路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振振荡器的振荡频率就发生变化。荡器的振荡频率就发生变化。高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路4.3.1 调频测量电路调频测量电路 虽然可将频率作为测量系统的输出量虽然可将频率作为测量系统的输出量,用以判断被测用以判断被测非电量的大小非电量的大小,但此时系统是非线性的但此时系统是非线性的,不易校正不易校正 因此加入鉴频器因此加入鉴频器,将频率的变化转换为振幅的变化将频率的变化转换为振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来 调频测量电路原理框图如图所示：调频测量电路原理框图

30、如图所示：4.3.1 调频测量电路调频测量电路图中调频振荡器的振荡频率为：21)(21LCf（4-13）4.3.1 调频测量电路调频测量电路调频电容传感器测量电路具有调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度较高灵敏度,可以测至可以测至0.01m级位移变化量级位移变化量频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯讯,抗干扰能力强抗干扰能力强,可以发送、接收以实现可以发送、接收以实现遥测遥控遥测遥控4.3.2 运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路运算放大器的放大倍数运算放大器的放大倍数K非常大非常大,而且输入阻抗而且输入阻抗Zi很很高。运算放大器的这一特点可以使其

31、作为电容式高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。传感器的比较理想的测量电路。4.4 电容传感器应用电容传感器应用电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。精度、加速度等机械量。变极距型变极距型的适用于较小位移的测量，量程在的适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百微米、精度可达至数百微米、精度可达0.01m、分辨率可达、分辨率可达0.001m。变面积型变面积型的能测量量程为零点几毫米至数百毫米之的能测量量

32、程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于间、线性优于0.5%、分辨率为、分辨率为0.01较大的位移，较大的位移，0.001m。4.4 电容传感器应用电容传感器应用电容式角度和角位移传感器电容式角度和角位移传感器的动态范围为的动态范围为 0.1至至几十度，分辨率约几十度，分辨率约0.1，零位稳定性可达角秒级，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。加速度计。电容式测振幅传感器电容式测振幅传感器可测峰值为可测峰值为050m、频率为、频率为102kHz，灵敏度高于，灵敏度高于0.01m，非线性误差小于，非线性误差小于0.05m。

33、下文介绍几种常用电容式传感器之应用。下文介绍几种常用电容式传感器之应用。4.4 电容传感器应用电容传感器应用一、电容式压力传感器一、电容式压力传感器二、电容式加速度传感器二、电容式加速度传感器三、差动式电容测厚传感器三、差动式电容测厚传感器四、电容式料位传感器四、电容式料位传感器五、湿度测量五、湿度测量六、电容式键盘六、电容式键盘七、电容传声器七、电容传声器 一、一、电容式压力传感器电容式压力传感器 图 4-14 所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,形成的两个电容器的电容量

34、,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。4.4 电容传感器应用电容传感器应用 二、电容式加速度传感器二、电容式加速度传感器 图示为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘）,中间有一用弹簧片支撑的质量块,此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时,质量块在惯性空间中相对静止,而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化,一个增加,一个减小,从而使C1、C2产生大小相等,符号相反的增量,此增量正比于被测加

35、速度。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大,大多采用空气或其它气体作阻尼物质。三、三、差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 图示为频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图。将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容,振荡器的其它参数为固定值,等效电路如图 4-16（b）所示,图中C0为耦合和寄生电容,振荡频率f为210)(21CCLfxxrxdAC6.3式中:r极板间介质的相对介电常数;A极板面积;dx极板间距离;Cx待测电容器的电容量。所以210221214146.3fLcLfAdrx210221224146.3fLcLfAdrx 设两传感器极板间距离固定为d0,若在同

36、一时间分别测得上、下极板与金属板材上、下表面距离为dx1、dx2,则被测金属板材厚度=d0-(dx1+dx2)。由此可见,振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。各频率值通过取样计数器获得数字量,然后由微机进行处理以消除非线性频率变换产生的误差,即可获得板材厚度。四、四、电容式料位传感器电容式料位传感器 图 4-17 是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。当罐内放入被测物料时,由于被测物料介电常数的影响,传感器的电容量将发生变化,电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关,且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。

37、传感器的静电电容可由下式表示:dDhkcsln)(0式中:k比例常数;s被测物料的相对介电常数;0空气的相对介电常数;D储罐的内径;d测定电极的直径;h被测物料的高度。假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C0,放入物料后传感器静电电容为C1,则两者电容差为C=C1-C0 （4-47）由式（4-46）可见,两种介质常数差别越大,极径D与d相差愈小,传感器灵敏度就愈高。电容式位移传感器测量原理图 交流电源 1:1放大器 测量电极 屏蔽电极 电容层析成像系统的组成 五、湿度测量五、湿度测量 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚

38、苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。HM1500湿度传感器在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制 当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是：湿敏电容的主要优点是：灵敏度高产品互换性好响应速度快湿度的滞后量小便于制造容易实现小型化和集成化 其精度一般比湿敏电阻要低一些六、电容式键盘六、电容式键盘 常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种

39、电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件成震荡脉冲允许通过的条件理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，噪音甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘工艺较机械结构复杂工艺较机械结构复杂 七、电容式键盘七、电容式键盘此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换八、电容传

40、声器八、电容传声器传声器（传声器（MicrophoneMicrophone）俗称话筒俗称话筒(麦克风麦克风)，是一种是一种声电换能器件声电换能器件，可分，可分电动电动和和静电静电两两类类目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是，绝大多数是动圈式动圈式和和电容式电容式。九、电容传声器九、电容传声器电容传声器原理十、电容传声器十、电容传声器驻极体电容传声器大膜片电容传声器十一、电容传声器十一、电容传声器 电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压前置放大器变换为输出电压它能提供非常高的音响质量它能提供非常高的音响质量频率响应宽而平坦频率响应宽而平坦是高性能传声器是高性能传声器 但这种传声器制造工艺复杂但这种传声器制造工艺复杂 价格高价格高 需外加需外加60200V的极化电压源的极化电压源 一般在专业领域使用较多一般在专业领域使用较多