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1、3 电容式传感器(capacitance sensor),变换原理将被测量的变化转化为电容量(Capacitance)变化。,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,3 电容式传感器,分类a)极距变化型b)面积变化型c)介质变化型,3 电容式传感器,a)极距变化灵敏度(sensitivity),3 电容式传感器,电容式传声器的电路原理,3 电容式传感器,b)面积变化角位移型灵敏度,3 电容式传感器,平面线位移型灵敏度,3 电容式传感器,柱面线位移型灵敏度,3 电容式传感器,c)介质变化,3 电容式传感器,电容式液位传感器(Capacitive liquid
2、 level sensor)（液位计/料位计）,3 电容式传感器,电容式接近开关测量头构成电容器的一个极板(plate)，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，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,3 电容式传感器,电容式接近开关工作原理,4 压电式传感器(piezoelectric sensor),工作原理:压电效应(piezoelectric effect)某些电介质（石英，多晶压电陶瓷），当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去
3、掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；,4 压电式传感器,逆压电效应(converse piezoelectric effect)（电致伸缩效应）在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能。可以将机械能转化成电能。可以将电能转化成机械能。,4 压电式传感器,压电式传感器及其等效电路是一个电荷发生器，电容器，电容值在极板上积聚的电荷与q与作用力F成正比D为压电常数，与材料和切片方向有关。压电式传感器适宜做动态测量。,4 压电式传感器,压电晶片(piezoelectric wafer)的接法并接：两晶片负极集中在中间极板上，正电极在两侧的电极上
4、。并接电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于以电荷量输出的场合。串接：正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板串接法传感器本身电容小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号。,4 压电式传感器,压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源，电容器上的开路电压e0与电荷q、传感器电容ca存在下列关系e0=q/ca。当压电式传感器接入测量电路，联接电缆的寄生电容就形成传感器的并联电容Cc。后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄漏电阻R0。为防止漏电造成电荷损失，通常要求R0l011欧姆，因此传感器可近似为开路。,4 压电式传感器,测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传
5、感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器(preamplifier)中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。前置放大器的主要作用将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出放大传感器输出的微弱电信号。,4 压电式传感器,前置放大器电路有两种形式用电阻反馈(Resistor feedback)的电压放大器(Voltage Amplifier)，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比。电路简单、价格便宜电缆分布电容对传感器测量稍度影响很大带电容反馈的电荷放大器(Charge Amplifier)，其输出电压与输入电荷成正比。电路较复杂电缆长度变化的影响几乎可以忽略不计,4 压电式传感器,电荷放大
6、器电荷放大器输出电压u0与传感器电荷量q成正比，Cf为电荷放大器反馈电容。,传感器,电缆,电荷放大器,4 压电式传感器,加速度计(accelerometer),4 压电式传感器,案例：飞机模态分析,4 压电式传感器,实测情况,4 压电式传感器,模态分析结果,5 磁电式传感器(Magnetic sensors),变换原理磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势(induced electromotive force)的一种转换器。感应线圈的感应电动势磁通变化率(Flux rate of change)与磁场强度(Magnetic field strength)、磁阻(reluctance)
7、、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,5 磁电式传感器,磁电式传感器分类动圈式(moving coil)线速度型角速度型磁阻式(reluctance),5 磁电式传感器,动圈式传感器线速度型可动线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感应电动势W线圈匝数(Coil turns)B磁感应强度(magnetic induction)l单匝线圈有效长度v线圈与磁场相对运动速度-运动方向与磁场夹角地震式速度计,5 磁电式传感器,角速度型线圈在磁场中转动时产生的感应电动势与线圈相对磁场的角速度成正比，这种传感器用于转速测量(Speed Measurement)。,测速电机,5 磁电式传
8、感器,磁阻式传感器 线圈与磁铁不动，由运动着的物体(导磁材料)改变磁路的磁阻，引起磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电动势。,传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度(sensitivity)、响应特性(response characteristic)、线性范围(linear range)、稳定性(stability)、精确度(accuracy)、测量方式(measurement mode)等方面的问题。1、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。灵敏度过高引起的干扰问题：传感器的信噪比愈大愈好量程范围：传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大 被测量是二维或三维的向
9、量：交叉灵敏度问题,传感器选用原则,2 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽。结构型传感器（如电感、电容、磁电等传感器），由于受到结构特性的影响、机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。,传感器选用原则,3 线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。变间隙型的电容、电
10、感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。,传感器选用原则,4 稳定性 表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。根据环境条件选择传感器。电阻应变式传感器，变极距型电容式传器在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。,传感器选用原则,5 精确度 表示传感器的输出与被测量的对应程度。实际中需要考虑到测量目的和经济性。相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高。定量分析，那么必须获得精确量值。某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。,传感器选用原则,6 测量方式 在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的误差、振动、扭力矩)，往往采用非接触测量(non-contact measurement)方式。采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器破坏(destructive)与非破坏性(non-destructive)测量涡流探伤、超声波探伤、声发射检测在线(on-line)与非在线测量在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。自动化过程的控制与检测系统,
