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傳感器技術第5講rlc傳感器-閱讀頁

2025-06-01 03:29本頁面
  

【正文】 如 f點為 “ –‖, e點為 “ + ” , 則電流路徑是 ehdcgf。 同理可分析另一個次級線圈的輸出情況 。 全波整流電路和波形圖 ~ e1 R R c a b h g f d e USC 銜鐵在 零位以下 eab t t t eab t t t eab t ecd t USC t ecd USC USC ecd 銜鐵在 零位以上 銜鐵在 零位 (b) (a) 在 f點為 “ + ” ,則電流路徑是fgdche (參看圖 a)。 相敏檢波電路 容易做到輸出平衡 , 便于阻抗匹配 。 調節(jié)電位器 R可調平衡 , 圖中電阻 R1=R2=R0, 電容 C1=C2=C0, 輸出電壓為 UCD。 若鐵芯上移 ,e≠ 0, 設 e和 er同相位 , 由于 ere, 故 er正半周時 D D2仍導通 ,但 D1回路內總電勢為 er+ e, 而 D2回路內總電勢為 er- e, 故回路電流 i1> i2輸出電壓 UCD=R0( i1–i2) 0。當鐵芯下移時 , e和 er相位相反 。 由此可見 , 該電路能判別鐵芯移動的方向 。 1. 差動變壓器式加速度傳感器 用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上 , 才能得到精確的測量結果 。 穩(wěn)壓電源 振蕩器 檢波器 濾波器 (b) (a) ~ 220V 加速度 a方向 a 輸出 1 2 1 1 彈性支承 2 差動變壓器 2. 微壓力變送器 將差動變壓器和彈性敏感元件 ( 膜片 、 膜盒和彈簧管等 )相結合 , 可以組成各種形式的壓力傳感器 。 三 、 電渦流式傳感器 當導體置于交變磁場或在磁場中運動時 , 導體上引起感生電流 ie, 此電流在導體內閉合 , 稱為渦流 。 顯然磁場變化頻率愈高 , 渦流的集膚效應愈顯著 。cm); μr—導體相對磁導率; f—交變磁場頻率 (Hz)。 目前高頻反射式電渦流傳感器應用廣泛 。 此線圈可以粘貼于框架上 , 或在框架上開一條槽溝 , 將導線繞在槽內 。 1 2 3 4 5 6 1 線圈 2 框架 3 襯套 4 支架 5 電纜 6 插頭 ie d M ~ Φn Φi 電渦流傳感器原理圖 傳感器線圈由高頻信號激勵,使它產生一個高頻交變磁場 φi,當被測導體靠近線圈時,在磁場作用范圍的導體表層,產生了與此磁場相交鏈的電渦流 ie,而此電渦流又將產生一交變磁場 φe阻礙外磁場的變化。能量損耗使傳感器的 Q值和等效阻抗 Z降低,因此當被測體與傳感器間的距離 d改變時,傳感器的 Q值和等效阻抗 Z、電感 L均發(fā)生變化,于是把位移量轉換成電量。 電容式傳感器 優(yōu)點 :測量范圍大、靈敏度高、結構簡單、適應性強、動態(tài)響應時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。 應用 :壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。 一 、 工作原理與類型 ( 一 ) 工作原理 用兩塊金屬平板作電極可構成電容器 , 當忽略邊緣效應時 , 其電容 C為 S—極板相對覆蓋面積; δ—極板間距離; εr—相對介電常數(shù); ε0 —真空介電常數(shù) , ε0 = ; ε —電容極板間介質的介電常數(shù) 。 S δ ε ????? SSC r 0??( 二 ) 類型 三種基本類型 : ?變極距 (變間隙 )(δ)型 ?變面積型 (S)型 ?變介電常數(shù) (εr)型 表 51列出了電容式傳感器的三種基本結構形式 。 ?極板形狀 :平板或圓板形和圓柱 (圓筒 )形 , 雖還有球面形和鋸齒形等其他的形狀 , 但一般很少用 , 故表中未列出 。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。 C ?C0 C 特性曲線 ?C0—極距為時的初始電容量。 而圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小 , 成為實際中最常采用的結構 , 其中線位移單組式的電容量 C在忽略邊緣效應時為 l—外圓筒與內圓柱覆蓋部分的長度; r r1 —圓筒內半徑和內圓柱外半徑 。 變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質的厚度 、 液位 , 還可根據(jù)極間介質的介電常數(shù)隨溫度 、 濕度改變而改變來測量介質材料的 溫度 、 濕度 等 。 l 平板形 lx ?若忽略邊緣效應 , 圓筒式液位傳感器如下圖 , 傳感器的電容量與被液位的關系為 液位傳感器 h C1 C C2 xx KhArrhrrhC ?????)/l n()(2)/l n(2120120 ?????可見 , 傳感器電容量 C與被測液位高度 hx成線性關系 。儲存灌也是圓柱形,直徑為 50cm,高為。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當用在儲存灌內傳感器的靈敏度 (pF/L) 解: pFmmpFrrHC 5ln)/(2ln2120m i n ????????pFpFrrHC r ln2120m a x ???????LmmHdV )(422???? ??LpFL pFpFV CCK / i nm a x ?????二 、 轉換電路 ( 一 ) 電容式傳感器等效電路 L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感: r由引線電阻 、 極板電阻和金屬支架電阻組成; C0為傳感器本身的電容; Cp為引線電纜 、 所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容; Rg是極間等效漏電阻 , 它包括極板間的漏電損耗和介質損耗 、 極板與外界間的漏電損耗介質損耗 , 其值在制造工藝上和材料選取上應保證足夠大 。 其中另兩個臂是緊耦合電感臂 的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性 , 且寄生電容影響極小 、 大大簡化了電橋的屏蔽和接地 , 適合于高頻電源下工作 。 (二)測量電路 電橋電路 特點 : ① 高頻交流正弦波供電; ② 電橋輸出調幅波 , 要求其電源電壓波動極小 ,需采用穩(wěn)幅 、 穩(wěn)頻等措施; ③ 通常處于不平衡工作狀態(tài) , 所以傳感器必須工作在平衡位置附近 , 否則電橋非線性增大 , 且在要求精度高的場合應采用自動平衡電橋; ④ 輸出阻抗很高 (幾 MΩ 至幾十 MΩ ), 輸出電壓低 ,必須后接高輸入阻抗 、 高放大倍數(shù)的處理電路 。供電電壓是幅值為 177。若將二極管理想化,則當電源為正半周時,電路等效成典型的一階電路,如圖 (b)。根據(jù)一階電路時域分析的三要素法,可直接得到電容 C2的電流 iC2如下: C2 UE (b) U o R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC1 iC2 + + - + 177。 差動脈沖調寬電路 又稱 差動脈寬 (脈沖寬度 )調制電路 利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。 右圖為差動脈沖調寬電路原理圖,圖中 C C2為差動式傳感器的兩個電容,若用單組式,則其中一個為固定電容,其電容值與傳感器電容初始值相等;A A2是兩個比較器, Ur為其參考電壓。 C C2的充電時間 T T2為 rUUUCRT?? 11111 lnrUUUCRT??11222 ln設 R1= R2= R, 則 rUCCCCU21210 ???因此,輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。 設電容 C1和 C2的極間距離和面積分別為 2和 SS2, 將平行板電容公式代入上式 , 對 差動式變極距型 和變面積型 電容式傳感器可得 可見差動脈沖調寬電路能適用于 任何差動式電容式傳感器 , 并具有理論上的 線性特性 。 在此指出:具有這個特性的電容測量電路還有 差動變壓器式電容電橋 和由 二極管 T形電路經改進得到的二極管環(huán)形檢彼電路 等 。 ??EE USSSSUUU1212021120 ?????? ;???? 運算放大器式電路 其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性 。 顯然 , 輸出電壓與電容極板間距成線性關系 , 這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性 。 ? ? uCCuCjCjuxx ??????1)(10?? /)( S ?? SuCu ??0三 、 主要性能 、 特點和設計要點 ( 一 ) 主要性能 靜態(tài)靈敏度 是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比 。減小 δ 可以提高靈敏度。可在極間加一層云母片(其擊穿電壓大于 103kV/mm)或塑料膜來改善電容器耐壓性能。 雖然內外極筒原始覆蓋長度與靈敏度無關 , 但不可太小 , 否則邊緣效應將影響到傳感器的線性 。 例如 , 對變面積型差動式線位移電容式傳感器 , 其靜態(tài)靈敏度為 ? ?120/ln2rrlClCkg???????對于圓柱形變面積型電容式傳感器,其靜態(tài)靈敏度為 ? ?? ?? ?? ? ? ?121212 /ln4//ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg?????? ????????? ???????????可見比相應單組式的靈敏度提高一倍。 只有當 (?δ /δ 1時 , 略去各非線性項后才能得到近似線性關系為 C= C0(?δ /δ )。 ?????? ????????? ?????? ? /1 100 CCC 非線性 對變極距型電容式傳感器,當極板間距變化時,其電容量的變化: ????????????????? ??????? ?????? 320 1 ???????? ??CC可見 , 差動式的非線性得到很大改善 , 靈敏度也提高了一倍 。 在忽略邊緣效應時 , 變面積型和變介電常數(shù)型 ( 測厚除外 ) 電容式傳感器具有很好的線性 , 但實際上由于邊緣效應引起極板或極筒間 電場分布 不均勻 , 導致非線性問題仍然存在 , 且靈敏度下降 , 但比變極距型好得多 。 而電阻式傳感器有電阻 , 供電后產生熱量;電感式傳感器存在銅損 、渦流損耗等 , 引起本身發(fā)熱產生零漂 。 能在高低溫 、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作 , 適應能力強 , 尤其可以承受很大的溫度變化 , 在高壓力 、 高沖擊 、 過載等情況下都能正常工作 , 能測超高壓和低壓差 ,也能對 帶磁 工件進行測量 。 3. 動態(tài)響應好 電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小 , ( 約幾個 105N) , 需要的作用能量極小 , 又由于它的可動部分可以做得很小很薄 , 即質量很輕 , 因此其固有頻率很高 ,動態(tài)響應時間短 , 能在幾 MHz的頻率下工作 , 特別適合動態(tài)測量 。 它可用于測量高速變化的參數(shù) ,如測量振動 、 瞬時壓力等 。 當采用非接觸測量時 ,電容式傳感器具有平均效應 ,可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響 。 不足: 1. 輸出阻抗高 , 負載能力差 電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制 , 一般為幾十到幾百 pF, 使傳感器的輸出阻抗很高 , 尤其當采用音頻范圍內的交流電源時 , 輸出阻抗高達 106~108Ω 。 容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高 ( 幾十 MΩ 以上 ) , 否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能 ( 如靈敏度降低 ) , 為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度 、 清潔度等對絕緣性能的影響 。 2. 寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小 , 而其引線 電纜電容 (l~ 2m導線可達800pF)、 測量電路的 雜散電容 以及 傳感器極板與其周圍導體構成的電容 等 “ 寄生電容 ” 卻較大 , ① 降低了傳感器的靈敏度; ②這些電容 (如電纜電容 )常常是隨機變化的 , 將使傳感器工作不穩(wěn)定 , 影響測量精度 , 其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量 ,致使傳感器無法工作 。 其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應時 , 輸出特性才呈線性 。 隨著材料 、 工藝 、 電子技術 , 特別是集成電路的高速發(fā)展 ,使電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服 。 ( 三 ) 設計要點 電容式傳感器所具有的高靈敏度 、
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