电容式传感器ppt课件

电容式传感器,电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。,1,一、工作原理,电容传感器的基本理想公式：1、平板：,定片,动片,：电容极板间介质的介电常数，=0r；0：真空介电常数；r：极板间介质相对介电常数；A：两平行板所覆盖的面积；d：两平行板之间的距离。,2,2、圆筒：,定片,动片,l：圆筒长度；r、R：内、外圆筒半径。,3,改变A、d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器变间隙型变面积型变介电常数型,4,二、电容型传感器的结构类型（一）变间隙式电容传感器,设在被测量作用下，动极板向上移动d，其电容量增加，电容变化量为：式中，C0为初始电容量，,5,在时，将上式展开成麦克劳林级数：若动极板向下位移d，同理可得：,非线性误差部分高次项,灵敏度：,6,考虑：观察特性曲线，为了提高灵敏度，应使当d小些还是大些？这类传感器还要注意哪些问题？,可得以下结论：欲提高灵敏度S，应减小起始极距d；但受电容器击穿电压的限制，而且增加装配工作的困难；非线性将随最大相对位移增加而增加，因此为了保证一定线性度，应限制动极板的相对位移量；为了改善非线性，可采用差动结构。,7,（二）变面积式电容传感器,角位移：极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移度时，两极板的遮盖面积A电容量。板状线位移：极板2可以左右移动，极板1固定不动。筒形：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。,8,角位移变面积型,当转动动片一个角度，遮盖面积发生变化，电容量也随之改变。当=0时，其电容量为,当0时，其灵敏度为：,9,板状线位移变面积型,当动板沿箭头所示方向移动x时，传感器的电容量为：,灵敏度为,10,筒型,电容量：,当两圆筒相对移动x时，电容变化量：,灵敏度：,具有良好线性，与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。,11,（三）变介电常数式,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。,图中两平行电极固定不动,电介质以不同深度插入电容器中,从而改变两种介质的极板覆盖面积。,12,当电容极板之间的介电常数发生变化时，电容量也随之发生变化，根据这一原理可构成变介电常数式电容式传感器。可用以测量物位，含水量及成分分析等。图为变介电常数式电容液位传感器原理图。,X0时，CC0,1：液体介质的介电常数0:空气的介电常数；h:电极板的总长度；R2、R1：电极板的内、外径；,13,（四）差动式电容传感器,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。,变面积式,变气隙式,14,三、测量电路,用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有：普通交流电桥、脉冲调制电路、调频电路、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路。,（一）普通交流电桥,电容C、C0和阻抗Z、Z组成交流电桥测量电路,C：电容传感器的电容Z：等效配接阻抗C0、Z：固定电容、固定阻抗,15,原理,电桥初始状态调至平衡，当传感器电容C变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的幅值随C而变化。电桥的输出电压：,Z为电容臂阻抗；Z为传感器电容变化时对应的阻抗增量；Zi为电桥输出端放大器的输入阻抗。,16,（二）调频电路,调频测量电路把电容式传感器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,振荡器的振荡频率就发生变化。,L振荡回路的电感；C振荡回路的总电容C=C1+Ci+C0C；C1：振荡回路固有电容Ci：传感器引线分布电容C0C：传感器的电容,17,（三）差动脉冲调度电路,工作原理,C1、C2：差动式电容传感器电阻R1=R2A1、A2：比较器,18,四、应用,1、电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。,聚四氟乙烯外套,19,电容式液位限位传感器,液位限位传感器：当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,20,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,21,2、加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。,22,(1)加速度传感器在汽车中的应用,装有传感器的假人,气囊,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,23,(2)利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹,美研制了高性能的FMU-152B联合可编程引信，它可识别不同的介质。碰到目标，测碰击力是否过大，弹头强度是否不足，如是，弹头立即起爆。,传感器安装位置,24,3、电容式压力传感器,图中所示为