动力测试7.ppt

4.4 电容式传感器 电容式传感器是将被测量变化(如尺寸、压力等) 转换成电容变化量的一种传感器。 实际上，它本身（或和被测物一起）就是一个可变电容器。 电容式传感器的工作原理 忽略边缘效应，平板电容器的电容量为： 一. 变极板间隙型电容传感器 传感器灵敏度为： 极距变化型电容传感器的特点 电容量C与极距δ呈非线性关系，将引起非线性误差,为了减小这一误差，通常规定测量范围Δδ δ0≈ 0.1 ,此时，传感器的灵敏度近似为常数。 二. 变面积型电容传感器 在被测参数的作用下，极板间的有效面积发生变化，常用的有角位移型和线位移型两种。 面积变化型电容传感器的特点 优点：输入与输出成线性关系； 缺点：与极板变化型相比，灵敏度较低； 适用范围：较大角位移及直线位移的测量 也可采用差动型（图4-22b） 三. 介电常数变化型电容传感器 大多用于测量电介质的厚度、位移、液位等； 还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变来测量温度、湿度、容量等。 四. 电容式传感器的应用 4.5 压电式传感器 —— 利用某些特殊材料的压电效应来完成力信号向电信号的转换 一.工作原理 1. 压电效应 2. 压电传感器的输出 3. 压电传感器的连接形式 注意： 二.压电传感器的测量电路 1. 电压放大器 2. 电荷放大器 3.压电式传感器的特点及应用 4.6 磁电式传感器 也称感应式传感器。 把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机械能—电能变换型传感器。 不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。 1. 磁电传感器原理 据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即 2. 恒定磁通式磁电传感器 动圈式磁电传感器 动铁式磁电传感器 恒定磁通式磁电传感器的特点 当传感器结构参数确定后，B、l、A均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。 如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。 由传感器工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。 3. 变磁通式磁电传感器 变磁通式又称(变)磁阻式或变气隙式。 压电元件产生电荷Q： 一部分对系统等效电容 C 充入电荷量 QC = Cui； 另一部分对反馈电容 Cf 充入电荷量 Qf = Cf( ui - u0 )， 由于电荷放大器的输入阻抗极高(109~1012?) ，此时通过系统等效电阻泄漏掉的电荷量可忽略不计。 在电荷放大器中，运算放大器的开环放大倍数A一般高于105，所以： 考虑到运算放大器的输入输出电压间的关系 u0 = -Aui 所以： ?1）电荷放大器输出电压仅与电荷量及反馈电容量有关，电缆分布电容Cc的变化甚至放大倍数A都不再影响放大器的输出。 2）电荷放大器可将压电式传感器的低频工作区域扩展到近似零赫兹（即压电传感器配用电荷放大器可用于低频或超低频测量）。 3）由于Cf 可以做得很精确，所以电荷放大器测量精度较高。 4）电荷放大器电路比较复杂，成本较高。 1）固有频率高，适于测动态力。 2）配用电荷放大器连接需采用特制的低噪声同轴电缆(即高阻抗绝缘性能好)，因普通电缆的电缆芯与绝缘体间由于摩擦会感应出静电荷。 3）配用电压放大器应加入阻抗变换器，且应特别注意连接电缆。因为测量灵敏度受电缆长度影响。 应用：通常用于动态力、压力、加速度测量。 磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，若改变其中一个因素，就会改变线圈的感应电动势。 * * 电容式传感器可分为极距变化型，面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型应用最广泛。 灵敏度与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。 差动型电容传感器 实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。 差动型电容式传感器与适当测量电路配合，既可扩大线性范围，又提高了传感器的灵敏度。 输入与输出为线性关系 灵敏度为： 输入与输出为线性关系 线位移型 角位移型 灵敏度为： 当覆盖长度x变化时，电容量变化，灵敏度为： 由于平板型传感器的可动板在极距方向稍有移动就会影响测量精度，所以面积变化型电容传感器常做成圆柱形。 差动型 某些晶体物质，如果沿其某一结晶轴受到外力的作用时，其内部有极化现象出现，在其受力表面会形成电荷集结；当外力撤销后，又重新恢复为不带电状态。（顺/正压电效应）