第6章+电容式传感器改ppt课件

1、第第6章电容式传感器章电容式传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器概述概述 电容式传感器电容式传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器概述概述 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电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器概述概述 电容式传感器电容式传感器电容式传感器典型应用电容式传感器典型应用硅微电容式传感器硅微电容式传感器测量管道液位高度测量管道液位高度第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.1电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构n电容式传感

2、器电容式传感器将被测非电量的变化转换为电容量将被测非电量的变化转换为电容量变化。变化。n平板电容器的电容平板电容器的电容n根据被测参数的变化分：根据被测参数的变化分：n变极距型电容传感器变极距型电容传感器(d)n变面积型电容传感器变面积型电容传感器(A)n变介质型电容传感器变介质型电容传感器()dAc第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器变极距变极距(型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(A)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.1.2变极距型电容传感器变极距型电容传感器第第6

3、6章章 电容式传感器电容式传感器6.1.2变极距型电容传感器变极距型电容传感器基本特性基本特性若若d d从从d0d0-d, d0d0-d, 电容量电容量C0C0+C, C0C0+C, 则有则有) 111(0000dddAdAddAC00001ddCddCdd当时当时,变极距式电容传感器有近似线性关系变极距式电容传感器有近似线性关系,此时灵敏度此时灵敏度10dd01ddCCK第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器01ddCCKn为了获得高灵敏度为了获得高灵敏度, ,一般一般d0(0.1-1mm)d0(0.1-1mm)较小较小, ,但但d0d0过小易引起电容器击穿或短路。过小易引起电容器击穿或短

4、路。 n电容电容C C与极距与极距d d成非线性关系成非线性关系, ,为了减小非线性误差为了减小非线性误差, ,通常通常d d变化范围变化范围n此类电容传感器仅适于微小位移的测量此类电容传感器仅适于微小位移的测量n (0.01um(0.01um数百微米数百微米) )。1 . 001. 0/dd6.1.2变极距型电容传感器变极距型电容传感器基本特性基本特性结论结论怎么办呢？怎么办呢？第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器一般变极距型电容式传感器的起始电容在一般变极距型电容式传感器的起始电容在 20100pF之间之间, 极板间距离在极板间距离在25200m的范围内的范围内, 最最大位移应小于间距

5、的大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用故在微位移测量中应用最广。最广。对于云母，对于云母，5 . 86g图图6-3 6-3 放置云母片的电容器放置云母片的电容器云母片的相对介电常数为空气的云母片的相对介电常数为空气的7 7倍倍, ,击穿电压远远高于空气的击穿电压远远高于空气的, ,因此可使极因此可使极板之间的起始距离大大减小。板之间的起始距离大大减小。6.1.2变极距型电容传感器变极距型电容传感器双介电层双介电层000ddAcgg第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.1.2变极距型电容传感器变极距型电容传感器灵敏度灵敏度/非非线性线性n1.灵敏度变极距型）灵敏度变极距型）n

6、2.非线性非线性01ddCCK（忽略了线性及以上高次项）（忽略了线性及以上高次项）00011ddddCC230000001.CdddddCddddd泰勒展开泰勒展开非线性误差：非线性误差：232000000()().()100%100%dddddddddddd1dd第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器目的：目的：1.提高灵敏度提高灵敏度2.减小非线性误差减小非线性误差.)()(1 /11302000001ddddddCddCC.)()(1 /11302000002ddddddCddCC.)( 2)( 2250300021ddddddCCCC非线性误差：非线性误差：%100)(%100)/(

7、2)/(220030Ldddddd灵敏度：灵敏度：02CCKdd350000022()2().2CddddCdddd6.1.2变极距型电容传感器变极距型电容传感器差动平板式差动平板式第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.1.3变面积型电容传感器变面积型电容传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.1.3变面积型电容传感器变面积型电容传感器axcc00cc图图5-6 5-6 电容式角位移传感器原理图电容式角位移传感器原理图6-6图图6-5 6-5 变面积型电容式传感器原理图变面积型电容式传感器原理图第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器n变

8、面积型电容传感器的优点是变面积型电容传感器的优点是:输出与输入成线性输出与输入成线性关系关系,但与变极距型相比但与变极距型相比,灵敏度低灵敏度低,适用于较大角位适用于较大角位移量及直线位移的测量。移量及直线位移的测量。6.1.3变面积型电容传感器变面积型电容传感器圆筒形电容器的电容为：圆筒形电容器的电容为：其中x为覆盖的长度第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器dDhCln)(20106.1.4变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器n柱式柱式7dDhHdDhcln)(2ln201dDhdDHln)(2ln2010电容的增量正比于被测液位高电容的增量正比于被测液位高度度,可测量一种流体的液位

9、高度可测量一种流体的液位高度6-7第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.1.4变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器n平板式平板式8001200000021)()(21dLbcdLLLbcccrrrru电容变化与电介质的移动量电容变化与电介质的移动量L L成线性关系成线性关系u可用来测量纸张、绝缘薄膜可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。体介质的湿度。 第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路LcCR

10、sRpCLc简化简化计算有效电容计算有效电容Ce:ceLjCjCj11CLCCce21两点注意：两点注意：1.工作频率等于或接近谐振频率时工作频率等于或接近谐振频率时,谐谐振频率破坏了电容的正常作用。因而振频率破坏了电容的正常作用。因而,工作频率应该选择低于谐振频率。工作频率应该选择低于谐振频率。2.电容式传感器的有效电容除与位移有电容式传感器的有效电容除与位移有关外关外,还与角频率有关。因而还与角频率有关。因而,在实际应在实际应用时必须与标定的条件用时必须与标定的条件()一样。一样。第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n电容传感器的特点：

11、电容量小、变化更小电容传感器的特点：电容量小、变化更小PF级）。理论上级）。理论上,交流电桥可作为电容传感器的测量电路交流电桥可作为电容传感器的测量电路,但由于电容及变化但由于电容及变化太小太小,不易实现。不易实现。n常采用：常采用：n1.调频电路调频电路n2.运算放大器式电路运算放大器式电路n3.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路n4、电桥电路、电桥电路第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.2.1调频电路调频电路11LCf21特点：特点：转换电路生成频率信号转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度具有较高的灵敏度,可以测量高至可以测量高至0.01

12、m级位移变化量。级位移变化量。但非线性较差但非线性较差,可通过鉴频器频压转换转化为电压信号后可通过鉴频器频压转换转化为电压信号后,进行补偿。进行补偿。6-9第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.2.2运算放大器式电路运算放大器式电路运算放大器要求：输入阻抗高避免泄运算放大器要求：输入阻抗高避免泄漏）、放大倍数大接近理想放大器）漏）、放大倍数大接近理想放大器）ixoUCCUdACxdAUCUio特点：特点：1.输出电压与极板距离输出电压与极板距离d成正比成正比2.要求要求Zi及放大倍数足够大及放大倍数足够大3.为保证仪器精度为保证仪器精度,还要求电源电压还要求电源电压的幅值和固定电容稳定的

13、幅值和固定电容稳定4.由于由于Cx变化小变化小,所以该电路实现所以该电路实现起来困难起来困难图图6-10 6-10 运算放大器式运算放大器式电路原理图电路原理图第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.2.3脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路nC1C1充电充电,VF ,VF 。当。当VF UcVF Uc时时,Q=0,Q=0,信号反转信号反转,Q=1,Q=1。C1C1经经D1D1放电。放电。nC2C2充电充电,VG ,VG 。当。当VG UcVG Uc时时,Q=0,Q=0，Q=1,Q=1,再次反转。再次反转。C2C2经经D2D2放电。放电。21211)(TTTTUuuuBAABC1C1和和C2C

14、2为为差动电容差动电容第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.2.3脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路uAuBuABtttU1U1U0000T10UcuFtT20UcuGt输出电压输出电压uABuAB经低通滤波后经低通滤波后, ,便便可得到一直流输出电压可得到一直流输出电压Uo,Uo,值为值为A A、B B 两点电压平均值两点电压平均值uAuA与与uBuB之之差，即差，即1212112121211oUTTTTUTTTUTTTuuUBA式中式中:T1:T1、T2T2分别为分别为C1C1、C2C2充至充至UcUc需要的时间需要的时间, ,即即A A点和点和B B点的脉点的脉冲宽度冲宽度;U1;U

15、1为触发器输出的高电为触发器输出的高电位。位。第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.2.3脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路1212112121211oUTTTTUTTTUTTTuuUBAn设双稳态触发器输出高电平设双稳态触发器输出高电平U1U1，低电平，低电平0,R1=R20,R1=R2UcUUCRT11111lnUcUUCRT11222ln1012121CCUUCCCCuAB当当d1=d0-d,d2=d0+dd1=d0-d,d2=d0+d时时, ,有有10UdduAB直流输出电压直流输出电压uABuAB与与极距变化量成正比。极距变化量成正比。10ABuU或或第第6 6章章 电容式传感器

16、电容式传感器6.2.3脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路对于差动式变极距型电容式传感器对于差动式变极距型电容式传感器, , 对于差动式变面积型电容式传感器对于差动式变面积型电容式传感器, ,10oUU1oUAAU (6-29)(6-30)第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.2.4电桥电路电桥电路交流电桥的多种形式交流电桥的多种形式第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器测量电路:电桥电路 120212ZZEUZZ120212CCEUCC111Zj c 交流电桥的输出电压为：交流电桥的输出电压为：002EUv 输出与位移成理想线性关系输出与位移成理想线性关系第第6 6章章 电容式传感器电容

17、式传感器小结小结01ddCC变极距型变极距型变面积型变面积型变介质型变介质型电容式传感器电容式传感器单管单管差分式差分式灵敏度灵敏度K非线性误差非线性误差02ddCC%100|0dd%100|20ddaxCC0或或0CC测液体高度、纸张厚度、非导电固体湿度测液体高度、纸张厚度、非导电固体湿度第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器小结小结10oUU变极距型变极距型变面积型变面积型脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路差分式输出电压差分式输出电压1oUAAU 第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器电容式传感器的优点：电容式传感器的优点：(1)(1)输入能量小而灵敏度高。输入能量小而灵敏度高。(2)(

18、2)精度高达精度高达0.01%0.01%。(3)(3)动态特型好，适合测量动态参数。动态特型好，适合测量动态参数。(4)(4)能量损耗小。能量损耗小。(5)(5)结构简单，环境适应性好结构简单，环境适应性好( (高温、辐射等高温、辐射等) )缺点：电缆分布电容影响大。缺点：电缆分布电容影响大。集成电路、双屏蔽传输电缆等集成电路、双屏蔽传输电缆等降低分布电容影响。降低分布电容影响。广泛用于位移、压力、流量、液位等测量。广泛用于位移、压力、流量、液位等测量。6.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器第第6 6章章 电容

19、式传感器电容式传感器电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 1.1.电容式料位计电容式料位计 用于水泥、化工、罐装用于水泥、化工、罐装 等传感器静电容：等传感器静电容：0022 ()lnlnSXhChDDdd 10CCC 电容测深度、角度电容测深度、角度第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用1）n电容式压力传感器电容式压力传感器17第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 电容式压力传感器电容式压力传感器 构造：构造： 测量膜片金属弹性膜片）测量膜片金属弹性膜片） 动片；动片； 两个玻璃球面上镀有金属

20、两个玻璃球面上镀有金属 定片；定片； 膜片两侧左右两定中充满硅油。膜片两侧左右两定中充满硅油。 工作过程：工作过程： 当两室分别承受低压当两室分别承受低压PLPL） 和高压和高压PHPH时，硅油能将时，硅油能将 压差压差 传递到传递到 测量膜片，测量膜片，HLPPP第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 电容式压力传感器电容式压力传感器 当当PH=PLPH=PL时，膜片处于中间位置，时，膜片处于中间位置，C1=C2C1=C2； 当有差压作用时，测量膜片产生形变：当有差压作用时，测量膜片产生形变： PH PLPH PL时，膜片时，膜片PLPL向弯向弯

21、曲，曲，C1C2C1C2，；，； PH PLPH C2C1C2； 将这种电容变化通过电路转换为电压将这种电容变化通过电路转换为电压变化变化 第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 电容式压力传感器电容式压力传感器 电容式传感器电容式传感器 电容传感器盒膜结构片电容传感器盒膜结构片P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用2）n加速度传感器加速度传感器6-121第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.3电容式传感器的应用电容

22、式传感器的应用3）n差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用3）n差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器19第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用4）第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器图图6-13 6-13 电容式传声器电容式传声器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用4）电容式传声器电容式传声器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器n齿轮转动时齿轮转动时, ,电容量电容量发生周期性变化发生周期性变化, ,通通过测量

23、电路转换为脉过测量电路转换为脉冲信号冲信号, ,则频率计显则频率计显示的频率计显示代表示的频率计显示代表转速。设齿数为转速。设齿数为z,z,频频率为率为f,f,则转速为则转速为6.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用5）11齿轮齿轮 22定级定级 33电容式传感器电容式传感器 44频率计频率计min)/(60rzfn 第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器液体压力作液体压力作用在陶瓷膜用在陶瓷膜片的表面片的表面,使使膜片产生位膜片产生位移。移。6.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用6）第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器6.3电容式传感器的应用电

24、容式传感器的应用7）电容式接近开关电容式接近开关第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器 智能型电容传感器电路结构第第6 6章章 电容式传感器电容式传感器n6-1 6-1 说明电容式传感器的工作原理及其类型说明电容式传感器的工作原理及其类型? ?n6-2 6-2 推导差动式变极距型电容式传感器的灵敏度和推导差动式变极距型电容式传感器的灵敏度和非线性误差，并与单一型传感器做比较。非线性误差，并与单一型传感器做比较。n6-3 6-3 说明脉冲宽度调制电路的工作原理及在差动电说明脉冲宽度调制电路的工作原理及在差动电容相等和不相等时的各点电压波形。容相等和不相等时的各点电压波形。n6-4 6-4 变极距型平板电容式传感器，变极距型平板电容式传感器，d0=1mmd0=1mm，要求测，要求测量线性度为量线性度为0.1%0.1%，求允许测量的最大变化量。，求允许测量的最大变化量。思考题与习题思考题与习题第