第3章 电容式传感器及应用.ppt

11.06.2020，1，第3章电容传感器和应用，11.06.2020，2，简介，电容传感器是将测量的非电量变化转换为电容变化的传感器。结构简单，分辨率高，非接触测量，能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作。发展前景广阔的传感器。11.06.2020，3，目录，3.1电容式传感器的工作原理和3.2型电容式传感器的转换电路3.3电容式传感器的应用，11.06.2020，4，3.1电容式传感器的工作原理和类型，由绝缘介质隔开的两块平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容是保持其两个参数不变，只改变其一个参数，该参数的变化可以转换成电容的变化，该电容的变化可以转换成电能输出电容式传感器的工作模式可分为三种：变极距型、变面积型和变介质型。11.06.2020，5.3.1.1变面积电容传感器，极距和介质等。可变面积电容传感器在工作期间保持不变，并且测得的变化改变其有效面积。在可变面积电容传感器的两个极板中，一个是固定的，称为固定极板，另一个是可移动的，称为可移动极板。11.06.2020，6，面积变化电容传感器原理，11.06.2020，7，(a)是一种平面位移电容传感器。将两个相同极板的长度设置为B，宽度设置为A，极板之间的距离设置为D。当可移动极板移动X时，电容Cx将相应变化。电容的相对变化和灵敏度为，11.06.2020，8。该差动结构提高了测量精度，并减小了由可移动极板和固定极板之间的相对极距的可能变化所引起的测量误差。11.06.2020，9，具有移动中间板的可变面积电容传感器的原理，(b)是圆柱形线性位移电容传感器，并且灵敏度k也是常数。(c)角位移形式的电容传感器。当可移动极板有角位移时，两个极板的相对面积a也改变，导致两个极板之间的电容改变。当时，11.06.2020和11.11，推导过程表明电容与角位移成线性关系。灵敏度是可变面积电容传感器的输出是线性的，灵敏度k是常数。11.06.2020、12、3.1.2可变极距电容传感器。如果两个极板的有效面积和极板之间的介质保持不变，电容C将根据非线性关系随极距D变化。11.06.2020，13，电容值，可移动极板2不移动时传感器的初始电容()。当移动板2移动x值时，可变极距电容传感器的灵敏度为、11.06.2020、14。结论分析表明，此时电容与x近似呈线性关系，但范围缩小了很多。可变极距电容传感器的灵敏度为、11.06.2020、15。可变极距电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小，灵敏度越高。但太小，很容易造成电容器击穿或短路。因此，高介电常数的材料(云母、塑料薄膜等。)可以用作极板之间的介质。应该纠正非线性原则。在差分工作模式下，电容传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了极大改善。结论：极距变化电容式传感器的优点是可以实现动态非接触测量，具有良好的动态响应特性，具有极高的灵敏度和精度(最高可达nm级)，适用于小位移(1 nm 1m)的精密测量。然而，该传感器在原理上具有非线性误差，并且杂散电容(例如电缆电容、分布电容等)较大。)的线有重大影响。需要一起使用以改善这些问题的电子电路相对复杂。对于17.3.1.3 11 . 06 . 2020的可变介电常数电容传感器，介电可变电容传感器的极距和有效作用面积不变，测量的变化使介电条件发生变化、11.06.2020、20、3.2电容式传感器的转换电路。电容式传感器将测量的变化转化为电容的变化后，后续的转换电路应进一步将电容的变化转化为电压、电流或频率的变化。11.06.2020，21，转换电路组件，1。交流电桥，2。调频电路，3。运算放大器电路，4。脉宽调制电路，5。二极管双T型交流电桥，11.06.2020，22，1。交流电桥利用电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，通过电桥将电容的变化转化为电桥输出电压的变化。电桥通常采用由电阻-电容和电感-电容组成的交流电桥，图3-6是电感-电容电桥。分析表明，变压器的两个次级绕组L1和L2以及差动电容传感器的两个电容器C1和C2作为该桥的四个桥臂，该桥由高频稳幅交流电源供电。电桥的输出为调幅值，经过放大、相敏检测和滤波后，得到与测量变化相对应的输出，最后得到仪器显示记录。11.06.2020，24.2。调频电路，将传感器连接到调频振荡器的液晶谐振网络，测量的变化引起传感器电容的变化，进而引起振荡器谐振频率的变化。鉴频器将频率的变化转化为电压的变化，经放大器放大后输出。11.06.2020，25.2。调频电路的特点是，测量电路的灵敏度很高，可以测量0.01m的位移变化，抗干扰能力强(加入混频器后更强)。缺点是电缆电容和温度变化影响很大，输出电压U0和被测电压之间的非线性一般需要电路校正，所以电路比较复杂。11.06.2020，26.3。运算放大器电路。极距变化电容传感器的电容与极距的关系是反比的，传感器在原理上具有非线性。运算放大器的反比例运算可以将转换电路的输出电压与极距之间的关系变为线性关系，从而大大降低整个测试装置的非线性误差。11.06.2020，27，特性，表达式电路的原理相对简单，具有最高的灵敏度和精度。然而，通常需要使用“驱动电缆”技术来消除电缆电容的影响，并且电路复杂且难以调整。11.06.2020，28.4。脉宽调制电路，脉宽调制电路是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容变化，然后通过低通滤波器获得对应于测量变化的DC信号。11.06.2020，29，11.06.2020，30，线性输出；双稳态输出信号通常是100 khz至1 MHz的矩形波，因此直流输出可以简单地通过滤波器获得，无需解调器。该电路使用具有更高稳定性的DC电源，这比在其他测量电路中要求频率和幅度稳定性高的交流电源更容易实现。如果双稳态触发器q端的电压信号被送到计算机的定时和计数引脚，占空比q可由软件测量，从而计算出c值。这种直接数字处理方法不受电源电压波动的影响。11.06.2020，31.5。二极管双T型交流电桥和二极管双T型交流电桥的电路原理图。E为高频电源，提供幅度为Ui的对称方波，VD1和VD2为两个特性相同的二极管，R1=R2=R，C1和C2为传感器的两个差分电容。11.06.2020、32、3.3应用电容式传感器。电容式传感器不仅用于位移、振动、角度、加速度和负载等机械量的精确测量，还广泛用于压力、压差、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。11.06.2020，33，分类，1。电容式接近开关2。电容式机油尺3。电容式压差传感器4。电容测厚仪，11.06.2020，34，1。电容式接近开关当没有物体靠近检测电极时，检测板与地之间的电容C很小，形成一个高品质因数(Q)的液晶振荡电路，电感L，Q=1(CR)。当要检测的对象是地电位的导体(例如，人体、液体等)时。对于对地的大分布电容)，检测板对地的电容C增加，并且液晶振荡电路的Q值将下降，导致振荡器停止振动。11.06.2020，36，工作流程(2)。当未接地和绝缘的待测物体接近检测板时，由于施加到检测板的高频电压，在其附近产生交变电场，并且待测物体将受到静电感应，导致极化现象和正负电荷的分离，增加检测板对地的等效电容，并降低液晶振荡器电路的Q值。对于能量损耗大的介质(如各种含水有机物)，在高频交变极化过程中需要消耗一定的能量。该能量由液晶振荡电路提供，这将不可避免地进一步降低Q值、振荡和振荡幅度。当被测物体接近某一距离时，振荡器的Q值太低，无法保持振荡并停止振荡。根据输出电压U0的大小，可以粗略地确定被测物体的接近度。11.06.2020，37，电容式接近开关，11.06.2020，38，2。电容式油量表，1-油2-电容3-伺服电机4-减速器5-指示器刻度盘，11.06.2020，39。工作原理。当油注入油箱时，液位上升到h，电容变化CX与h成正比，电容为CX=CX0CX。此时，电桥失去平衡，电桥的输出电压U0放大后驱动伺服电机，减速箱的减速带动指针顺时针偏转，同时带动RP滑动，增加了RP的电阻值。当RP的电阻值达到一定值时，电桥再次达到新的平衡状态，U0=0，伺服电机停止转动，指针停留在转角X1。油位高度h可直接从油位刻度盘上读取。当油箱中的油位降低时，伺服电机反转，指针逆时针偏转，同时驱动快速成型件滑动，从而降低其电阻值。当反相电阻达到一定值时，电桥再次达到新的平衡状态，U0=0，因此伺服电机再次停止，指针停留在角X2。这样，可以确定油箱中的油量。11.06.2020，40，3。电容式压差传感器，1-弹性膜片2-凹面玻璃圆盘3-金属涂层4-输出端子5-空腔6-过滤器7-外壳，11.06.2020，41。工作原理。当被测压力通过过滤器6进入腔体5时，金属弹性膜片1将在两侧压力差的作用下向低压侧突出。隔膜和两个镀金玻璃盘2之间的电容改变，由此可以测量压力差。这种传感器分辨率高，常用于测量气体和液体的压力或压差、液位和流量。11.06.2020，42，电容压差变送器外观，1