电感式,电容式,压电式,磁电式传感器-传感器测量原理

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1、电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC0+ A 、A A或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。3.3 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0+驻极体电容传声器驻极体电容传声器 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。代了

2、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。特点是体积小、性能优越、使用方便。 3.3 电容式传感器电容式传感器 b)b)面积变化型面积变化型AC0角位移型角位移型+3.3 电容式传感器电容式传感器 AC0平面线位移型平面线位移型3.3 电容式传感器电容式传感器 柱面线位移型柱面线位移型. .AC03.3 电容式传感器电容式传感器 c) c) 介质变化型介质变化型AC03.3 电容式传感器电容式传感器 电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物

3、体本身，当物体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测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。3.3 电容式传感器电容式传感器 3.3 电容式传感器电容式传感器 4.5.3 4.5.3 电容式料位传感器电容式料位传感器u下图是电容式料位传感器结构示意图。测下图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

4、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。定电极之间就形成了一个电容器。图图4-20 电电容式料位容式料位传传感器感器结构结构示意示意图图4.5 电容式传感器的应用检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。的高度。 传感器的静电电容可由下式表示：传感器的静电电容可由下式表示：式中：式中：k k 比例常数；比例常数； 被测物料的相对介电常数；被测物料的相对介电常数； 空气的相对介电常数；空气的相对介电常数；DD储罐的内径；储罐的内径；d d 测定电极的直径；测定电极的直径；h h 被测物料的高度。被测物料的高度。0()Clnsk

5、hDds04.5 电容式传感器的应用u假定罐内没有物料时的传感器静电电容假定罐内没有物料时的传感器静电电容为为 ，放入物料后传感器静电电容为，放入物料后传感器静电电容为 ，则两者电容差为则两者电容差为u 由上式可见，两种介质常数差别越大，由上式可见，两种介质常数差别越大，极径极径D D与与d d相差愈小，传感器灵敏度就愈相差愈小，传感器灵敏度就愈高。高。10CCC0C1C 电感式传感器是利用电磁感应原理将被电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、重量、振测非电量如位移、压力、流量、重量、振动等转换成线圈自感量动等转换成线圈自感量L L或互感量或互感量MM的变的变化，再由测

6、量电路转换为电压或电流的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。化量输出的装置。u优点优点: :结构简单，工作可靠寿命长，测量结构简单，工作可靠寿命长，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等。精度高，零点稳定，输出功率较大等。u缺点缺点: :灵敏度、线性度和测量范围相互制灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。速动态测量。电感式传感器电感式传感器概述u电感式传感器种类很多，有利用自电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，利用互感感原理的自感式传感器，利用互感原理做成的差动变压器式传感器，原理做成的

7、差动变压器式传感器，还有利于涡流原理的涡流式传感器、还有利于涡流原理的涡流式传感器、利用压磁原理的压磁式传感器等利用压磁原理的压磁式传感器等u本章主要介绍自感式、互感式和电本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。涡流式三种传感器。1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型2002ANL 原理原理: :电磁感应电磁感应3.1 变磁阻式传感器1- 1-线圈；线圈；2- 2-铁芯（定铁芯）；铁芯（定铁芯）；3- 3-衔衔铁（动铁芯）铁（动铁芯）图图3-1 3-1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 结构图结构图3.1 3.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器3.

8、1.1 3.1.1 工作原理工作原理3.1 变磁阻式传感器u铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为气隙厚度为 ，传感器的运动部分与衔铁，传感器的运动部分与衔铁相连。相连。u当衔铁移动时，气隙厚度当衔铁移动时，气隙厚度 发生改变，引发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。方向。u电路的磁阻指由于电流引起的链合磁

9、通电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通量。根据电感定义，线圈中电感量可由量。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：下式确定：NLII3.1 变磁阻式传感器u上式中：上式中：线圈总磁链；线圈总磁链；I I 通过线圈的电流；通过线圈的电流；NN线圈的匝数；线圈的匝数；穿过线圈的磁通。穿过线圈的磁通。u由磁路欧姆定律，得磁通表达式：由磁路欧姆定律，得磁通表达式： 磁路总磁阻。磁路总磁阻。u对于变隙式传感器，因为气隙很小，所对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。以可以认为气隙中的磁场是均匀的。mINR mR3.1 变磁阻式传感器u若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为若忽略磁路磁损

10、，则磁路总磁阻为: :式中：式中： 铁芯材料的导磁率铁芯材料的导磁率(H/m)(H/m)； 衔铁材料的导磁率衔铁材料的导磁率(H/m)(H/m)； 磁通通过铁芯的长度磁通通过铁芯的长度(m)(m)； 磁通通过衔铁的长度磁通通过衔铁的长度(m)(m)； 铁芯的截面积铁芯的截面积( )( )； 衔铁的截面积衔铁的截面积( )( )； 空气的导磁率空气的导磁率(4(4 H/m) H/m)； 气隙的截面积气隙的截面积( )( )； 气隙的厚度气隙的厚度(m)(m)。12m1122002LLRSSS121L2L1S2S00S2m2m7102m3.1 变磁阻式传感器u通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，通

11、常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即：即：u则可近似认为：则可近似认为：u联立前几式，可得联立前几式，可得 1001 1200222SS2SSLLm002SR2200mS2NNLR3.1 变磁阻式传感器u上式表明，当线圈匝数为常数时，上式表明，当线圈匝数为常数时，电感电感L L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻 的函数，的函数，只要改变只要改变 或或 均可导致电感变化。均可导致电感变化。u因此变磁阻式传感器又可分为变气因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度隙厚度 的传感器和变气隙面积的传感器和变气隙面积 的的传感器。传感器。u使用最广泛的是变气隙厚度使用最广泛的是变气隙厚度 式电感式电感传感器。传