传感器与检测技术第5章电容式传感器ppt课件

将被测非电量的变化转换成电容量变化的设备或装置叫做电容式传感器5.1电容式传感器的工作原理和结构5.2电容式传感器的灵敏度及非线性5.3电容式传感器的测量电路5.电容式传感器的应用,第5章电容式传感器,返回主目录,1,5.1电容式传感器的工作原理和结构,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为,式中:A两平行板所覆盖的面积;d两平行板之间的距离。电容极板间介质的介电常数,=0r其中0为真空介电常数,r为极板间介质相对介电常数;,（5-1）,2,由式（5-1）可知，当A、d或发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。一、变极距型电容传感器图5-1为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的r和A为常数,初始极距为d0时,由式（5-1）可知其初始电容量C0为,（5-2）,3,若电容器极板间距离由初始值d0缩小d,电容量增大C,则有,此时C与d近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时,才有近似的线性关系。,（5-3）,由此可知，传感器的输出特性不是线形关系(见图52)。若d/d02=R2Cx2。由于充放电时间常数不相等,使电路中各点电压波形产生相应改变。如图5-13（b）所示,此时uA、uB脉冲宽度不再相等,在一个周期时间（T=T1+T2）内，uAB的平均电压值UAB不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后,即可获得直流输出电压UAB，即：,（5-34）,30,式中：U1触发器输出高电平；T1、T2C1、C2充电至Ur所需时间。由电路知识可知:,当R1=R2时，将T1、T2代入式（5-34）,得,（5-35）,（5-36）,（5-37）,31,把平行板电容的公式代入式（5-37）,在变极板距离的情况下可得,式（5-38）中d1、d2分别为Cx1、Cx2极板间距离。当差动电容Cx1=Cx2=C0，即d1=d2=d0时，UAB=0，若Cx1Cx2，设Cx1Cx2，即d1=d0-d，d2=d0+d，则,（5-38）,32,式中A0为变面积电容传感器的初始截面积。由此可见,差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性,且转换效率高,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。,同样,在变面积电容传感器中,则有,33,5.4电容式传感器的应用,一、电容式压力传感器下图5-14所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。,34,35,二、电容式加速度传感器下图5-15所示为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘）,中间有一用弹簧片支撑的质量块,此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时,质量块在惯性空间中相对静止,而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化,一个增加,一个减小,从而使C1、C2产生大小相等,符号相反的增量,此增量正比于被测加速。,36,1,37,*三、差动式电容测厚传感器图5-16为频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图。将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容,振荡器的其它参数为固定值,等效电路如图5-16（b）所示,图中C0为耦合和寄生电容,振荡频率f为,电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大,大多采用空气或其它气体作阻尼物质。,38,式中:r极板间介质的相对介电常数;A极板面积;dx极板间距离;Cx待测电容器的电容量。所以,39,设两传感器极板间距离固定为d0,若在同一时间分别测得上、下极板与金属板材上、下表面距离为dx1、dx2,则被测金属板材厚度=d0(dx1+dx2)。由此可见,振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。各频率值通过取样计数器获得数字量,然后由微机进行处理以消除非线性频率变换产生的误差,即可获得板材厚度。四、电容式料位传感器下图5-17是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。,40,41,当罐内放入被测物料时,由于被测物料介电常数的影响,传感器的电容量将发生变化,电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关,且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。传感器的静电电容可由下式表示:,式中：k比例常数;s被测物料的相对介电常数;0空气的相对介电常数;,42,D储罐的内径;d测定电极的直径;h被测物料的高度。假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C0,放入物料后传感器静电电容为C1,则两者电容差为C=C1C0（5-47）由式（5-46）可见,两种介质常数差别越大,极径D与d相差愈小,传感器灵敏度就愈高。作业：51；5-4；5-6,43,课间休息,44,图52电容量与极距间的关系,45,图5-4变面积型电容传感器原理图,定极片,动极片,（b）,46,图5-5电容式角位移传感器原理图,（a）,（b）,47,C1,C2,C=C1+C