项目三精密位移检测系统（课件）- 《传感器与检测技术（第3版）》同步教学（北京邮电版）

项目三 精密位移检测系统 目录/Contents 01 高精度位移传感器的应用 02 压阻式压力传感器的应用 2 任 务 一 高精度位移传感器的应用 高精度位移传感器的应用 4 知识目标 通过熟悉各种高精度位移传感器,了解位移传感器检测的一般原理和使用条件,掌握各 种位移传感器的量程和精度等检测性能。 技能目标 通过实践操作和训练理解,初步认识电容式和电感式位移传感器及其检测适应性,了解 工业中常用的位移检测特点及位移传感器的基本选用原则。 电容式传感器实质上是利用电容自身性质进行检测的传感器,如图3-1所示。电容检测技术近年来有了很大发展,它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密检测,而且逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的检测。电容式传感器具有结构简单、体积小、分辨力高和可非接触检测等一系列突出的优点,这些优点随着电子技术的迅速发展,特别是集成电路的出现,将得到进一步的体现。而检测电路中存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服,因此电容式传感器在非电量检测和自动检测中得到了广泛的应用。 一、 电容式传感器 电容式传感器原理基于以下公式： 式中,C为电容,F;d为电容两个极板之间的距离,m;A 为极板正对面积,m2;ε为介电常数, ε=ε0εr,真空介电常数ε0=8.85×10-12F/m,εr 为相对介电常数。 电容式传感器具有灵活多样的使用方式,既可以在封闭的形式下工作,也可以在开放的 形式下工作。电容传感器的结构优点是:由于极板间的静电引力小,活动部分的可动质量小,所以对输入能量的要求低;由于介质损耗小,传感器本身发热少,其能在高频范围内工 作,具有较好的动态响应特性。 电容式传感器的分类 7 1)变面积型电容传感器 通过改变极板间的相互覆盖面积改变电容量的电容传感器称为变面积型电容传感器。变面积型电容传感器可用于检测线位移,也可用于检测角位移。根据不同需要,电容的极板 可做成平板式、圆筒形和锯齿形三种。这类传感器的输入输出特性具有线性特征。变面积 型电容传感器的形式如图3-2所示。 2)极距变化型电容传感器 如图3-3(a)所示,如平行电容两个极板间覆盖面积和极间介质不变,则其电容量C与极 距呈现非线性关系。当极距有一微小变化量时,引起电容的变化量为 式中,A 为极板间覆盖面积。则其灵敏度为 可以看出,灵敏度与极距的平方成反比,极距越小,则灵敏度越高,如图3-3(b)所示。显然,由于灵敏度随极距面变化,这将引起非线性误差。为减小这一误差,通常规定电容两个极板在较小的间隙变化范围内工作,以便获得近似的线性关系。一般取极距Δδ/δ变化范围 约为0.1。在实际应用中,为了提高传感器的灵敏度和稳定性,常常采用差动式结构,如图3-4 所示。 电容式传感器的分类 电容式传感器的测量电路 9 等效电路 电容式传感器的等效电路如图3-5所示。图中考虑 了电容的损耗和电感效应,RP 为并联损耗电阻,它代表 极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响 较大,随着工作频率增高,容抗减小,其影响就减弱。RS代表串联损耗,即代表引线电阻、电容支架和极板电阻的损耗。电感L由电容本身的电感和外部引线电感组成。 教学视频——电容传感器调频 电容式传感器的测量电路 11 测量电路 (1)调频测量电路。 图3-6所示的是调频测量电路的原理框图。传感器的电容作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率也随之发生变化,其输出信号经过限幅、鉴频和放大器放大后变成输出电压。虽然可将频率作为测量系统的输出量,用以判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正,因此必须加入鉴频器,将频率的变化转换为电压振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。 电容式传感器的测量电路 12 测量电路 (2)运算放大器式测量电路。 运算放大器的放大倍数很大,输入阻抗Zi很高,输出电阻小传感器电容,̇Ui 是交流电源电压,̇Uo 是输出信号电压,Σ是虚地点。,所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的。图3-7所示的是运算放大器式测量电路原理,图中Cx为电容式 电容传感器测液位 知识拓展 13 教学视频——电容传感器测液位 小功率，高阻抗。 小的静电引力和良好的动态特性。 自身发热小。 可以进行非接触式检测。 电容式传感器的特点与用途 15 二、电感式传感器及分类 电感式传感器基于电磁感应原理,将非电量(位移、压力和振动等)转换为线圈自感系数项目三精密位移检测系统81L或互感系数M的变化。 电感式传感器是将被测物理量转化为电感量变化的器件,按照电感方式的不同可分为自感型(含可变磁阻式和涡流式)和互感型两种。 1.自感型电感传感器 1)可变磁阻式传感器 可变磁阻