电容式电感式传感器及其他

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1、第八课电容式电感式传感器及其他8.1电容式传感器两平行极板电容器的电容由下式得出（8-1）这里，为空气的介电常数8.854*10F/m为极板间介质的相对介电常数A为极板的遮盖面积或有效面积（）为极板将的距离（）电容量随着相对介电常数、截面面积A或者极板间的距离的变化而变化。电容式传感器的一些例子如图8.1所示。图8.2中的特征曲线表明，在空间的一段范围内截面面积A和相对介电常数的变化与电容量的变化呈线性关系。通过对方程（8-1）微分，我们能得出灵敏度（单位是F/s）。即因此，对于值微小的变化，灵敏度是很高的。不像电位器，变极距型电容传感器有无限的分辨率，这最适合测

2、量微小的位移增量的位移。例8.1平板电容器的有效截面面积为，极板距离1mm，如果空气的相对介电常数是1.0006，求设备的位移灵敏度。对式（8-1），求导得：负号表示随着极距增大电容减小。8.2电容式传感器缠绕在磁路上的线圈的电感为（8-3）式中，为真空磁导率，为相对磁导率，N为线圈匝数，为磁路长度（m），A为磁路的截面积（）。上式也可写为（8-4）其中，S为电感电路的总磁阻。电感可通过改变电感电路的阻抗来调节。变阻式传感器的一些例子如图8.3（a），8.3（b），8.3（c）所示。电感传感器的一些特征曲线如图8.4所示。例8.2分别求在（a）相对磁导率变化（b）

3、磁路长度变化条件下，单线圈电感传感器的灵敏度。a)对式（8-3）中的进行微分b)对（8-3）中的进行微分电容式和电感式传感器的测量技术：a)用差分式电容或电感作为交流电桥；b)用交流电位计电路做动态测量；c)用直流电路为电容器提供正比于容值变化的电压；d)采用调频法，C或者L随着振荡电路频率的变化而变化。电容式和电感式传感器的一些重要特征如下：i)分辨率无限；ii)精确到满量程的;iii)位移范围从到；iv）上升的时间小于；典型的被测量是位移、压力、震动量、声音和液位。8.3线性调压器典型的调压器如图8.5所示，它由一主线圈、两个副线圈和可移动的磁心构成。高频励磁

4、电压作用于主线圈，由于变压器作用在线圈副边产生电压和。副线圈的幅值取决于主、副线圈的电磁耦合以及铁心偏移量。由于副线圈串行反向连接，变压器铁心的偏移量使增大的同时，减小。理想条件下，电压和的相位差应该是，以便中心位置的输出电压为零。但是，一般两电压的相位差不是确切的，而是有一小的无效输出电压，如图8.6（b）所示。线性调压器的一些重要特征如下：a)无限分辨率；b)线性度优于；c)励磁频率50Hz到20kHz；d)无效电压小于满量程输出电压的；a)最大偏移频率为励磁频率的；b)位移范围从到；c)运动部件无磨损；d)调幅输出，即输出电压为幅值随位移输入变化、频率恒定的

5、波形。典型的被测量为可被转化为位移的量，如压力、加速度、振动、作用力以及液位。8.4压电式传感器当在某晶体材料上施加一个力时，负极的电荷就会在压电效应下出现（压电源于希腊语的“压”）。压电式传感器由天然晶体（如石英、酒石酸钾钠晶体）、合成晶体（如硫化锂）或极化陶瓷（如钛酸钡）构成。由于这些材料能够产生一个与施加力成比例的输出电荷，所以它们不仅最适宜测量力本身，还可测量驱动力变量（如压力、负载和加速度）。压电材料是很好的绝缘体。因此与其连接的金属板共同构成平板电容器，如图8.7（a）所示。当施加一力时，电容器在压电效应下充电，如图8.7（b）所示的等效电路。遗憾的是

6、，任何与电容器C连接的电子测量仪常常会放电，即传感器的稳态效应很糟糕。这可用带有被称为充电放大器的高输入阻抗（）的测量放大器克服此缺陷，但会使得测量系统费用增高。例8.3一压电压力传感器的灵敏度为80pC/bar。如果其电容为1nF，则当输入电压为1.4bar时，就可确定输出电压。电荷q=输出电压V=8.5电磁式传感器电磁式传感器利用线圈在磁场中移动产生电流的原理制成。电磁式传感器的输出电压如下所示。a)对于变磁通的线圈而言输出电压这里，N为线圈匝数，为磁通变化率（Wb/s）。b)对于在磁场中运动的单个导体而言输出电压式中，B为磁通强度（T），为导体长度（m），为

7、垂直于磁通方向的导体的速度（m/s）.两等式均运用于市场上常用的速度传感器，其构造原理图如图8.8（a），8.8（b），8.8(c)所示。电磁式传感器的一些重要特征如下：i)输出电压与输入运动速度成正比；ii)通常质量较大，因此它们固有频率低；iii)具有高的功率输出；iv)厂家技术说明中提供10Hz到1kHz的频率响应范围。8.6热电式传感器将两块不同金属或合金首尾相连形成一个热电偶（见图8.9），其两端温度不同，则在两导体间产生热电势，并在回路中有电流经过。热电势的大小取决于连接处的温度差和所用的材料。热电效应就是众所周知的泽贝克效应，它被广泛应用于温度测量与

8、控制系统中