电容式传感PPT学习教案

1、会计学1电容式传感电容式传感lSlSCormF1201085.8r1r第1页/共41页图3-1平行板电容器如果保持其中两个参数不变只改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。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类。第2页/共41页图3-2 变极距型电容式传感器图3-3 特性曲线第3页/共41页0l0C0ll000001111llClllSllSC(3-2) 将式(3-2)按级数展开略去高次项，并令电容变化量 ，当 时，整理得：01CCC0ll 00llCC（3-3）式（3-3）表明，在 的条件下，电容量变化量与极板间距变化量 呈近似线性关系。所以变极距型电容式传感

2、器往往是设计成 在极小的范围内变化。单一变极距型电容式传感器的非线性误差为：0ll ll第4页/共41页%100%10000201llllll（4-4）传感器灵敏度为：20lSlCK由此可见灵敏度 与 的平方成反比，极距越小，灵敏度越高。一般电容式传感器的起始电容为 ，极板距离在 的范围内，最大位移应该小于间距的 。0lpF3020 m20025101第5页/共41页l1C2C图3-4 差动式电容传感器结构原理第6页/共41页0000011111llClllSllSC000021111llClllSllSCl0ll 01CCC002llCC（3-6）第7页/共41页%100%100220030

3、2 llllll （3-7） 200022lSlClCK（3-8） 由以上分析可知差动式电容传感器与非差动式传感器相比其输出量和灵敏度均提高了一倍，非线性得到改善，且工作温度性好。第8页/共41页 图3-5 变面积型电容式传感器结构原理图 第9页/共41页baS00C000axCxlbC 其灵敏度系数为：（3-9）常数0lbxCKC （3-10）第10页/共41页rRhCln200 （3-11）式中： 外圆柱简与内圆柱重叠部分长度； R 外圆柱简内径； r 内圆拄外径。内圆柱沿轴线移动x 时电容的变化量为：0h00ln2hxCrRxC （3-12） 其灵敏度系数为：常数rRxCKCln2（3-

4、13）第11页/共41页02002lrlSC （3-14） 定极板转过 时，电容的变化量为0CC (3-15) 其灵敏度系数为：常数0CCKC（3-16）综合上述分析，变面积型电容传惑器不论被测量是线位移还是角位移，在忽略边缘效应时，位移与输出电容都为线性关系，传感器灵敏度系数为常数。第12页/共41页图3-6变介质型电容传感器的结构原理图第13页/共41页2l2210,lllCCCBA2lbaC10（3-17）式中： 空气的介电常数； b 极板的宽度： a 极板的长度： 极板的间隙。1l当介质 移进电容器中 x长度时，有：22211llbxCA11lxabCB （3-18）第14页/共41页

5、AxCC10 （3-19）式中 ，为常数，电容量 C与位移量x 呈线性关系。112211lllaA其灵敏度系数为： 0ACxCKC （3-20） 上述结论均忽略了边缘效应。实际上，由于存在边组效应，会产生非线性，并使灵敏度下降。第15页/共41页第16页/共41页 图3-7 交流电桥第17页/共41页llSC01llSC0221CC 21ZZ 0.0.llEU（3-21）可见电桥输出电压除与被测量变化 有关外还与电桥电源电压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施。因电桥输出电压幅值小，输出阻抗高( 级)，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。 lM第18页/共41页图3-8 运算式放大器电路原理图

6、 由运算放大器工作原理可知，在开环放大倍数为 和输入阻抗较大的情况下，有：USClU0（3-22）式中，负号表示输出电压 U0与电源电压 U相位相反。上述电路要求电源电压稳定，固定电容量稳定，并要放大倍数与的输入阻抗足够大。第19页/共41页第20页/共41页 图3-9 调频电路图3-9中的调频振荡器的频串 可由下式决定：xCLf0021 （3-23）式中： L0振荡回路的电感； CX电容式传感器的总电容。 在电容式传感器尚未工作时，则 ，即为传感器的初始电容值，此时振荡器的频率为一常数 ：0CCx0f0021CLf (3-24)第21页/共41页0fCCCx0fCCLff00021 (3-2

7、5) 振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调频波，其频率由式（3-25）所决定。在调频电路中， 值实际上是决定整个测试系统灵敏度的。调频电路的特点是灵敏度高，可以测量0.01pF甚至更小的电容变化量。另外，其调频电路抗干扰能力强，能获得高电平的直流信号，也可获得数字信号输出。调频电路缺点是振荡频率受温度变化和电缆分布电容影响较大。maxf第22页/共41页第23页/共41页图3-10变面积型电容位移传感器结构图第24页/共41页第25页/共41页012PPP021CCC21PP CCC01002CCC第26页/共41页图3-11 电容式压力传感器结构图第27页/共41页第28页/共41

8、页 图3-12 压力传感器的外形尺寸和外形图第29页/共41页 图3-13 平行板电容器及填充纤维后等效电容第30页/共41页ad42ADadADa44d22测量槽空间的体积填入槽内纤维的体积 (3-26) 理想情况下，填入两平行板间的圆形纱条可等效成面积为A，厚度为b的长方体，如图3-13（b）所示为填充纤维后等效电容示意图，两者体积相等，即 。bAad42填有纱条的平行板电容 C可等效成由介质为空气的电容Ca 与介质为纤维材料的电容Cf 相串联，如图3-13（b）所示。第31页/共41页faCCC111（3-27）式中： , 为极板间介质既含空电又含纤维材料时的相对介电常数； ， 为空气的

9、相对介电常数， ； ， 为纤维材料的相对介电常数。DACbDACaabACffaf1a将上列各关系代入式(3-27)并整理得：1111ff （3-28）第32页/共41页DADACa0DADAC11111000ffCCCCC （3-29）0CC 表示将纱条放人测量槽后，传感器检测电容量的相对变化率。按式（3-29）绘出的曲线如图3-14所示。第33页/共41页0CCfffCC10CC 对一定的纤维原料，在于燥状态下其 是一定的，但受纱条的回潮率和环境的相对湿度影响较大。从图314可以看出，在 及相应一定的 (例如 )情况下， 的变化呈近似线性关系， 越小， 随 的变化曲线越平缓，即受 的影响越

10、小。f10. 0f13f0CC0CCff第34页/共41页CCLL,102010图3-14 曲线fCC0第35页/共41页图3-15 高额电桥示意图纱条从检测电容的测量槽中通过，其粗细变化(反映线密度起伏变化)使槽内纤维的填充率 变化，相应导致检测电容量的变化，再经高频电桥转换成电压信号的变化。电桥在高频状态下工作可减弱回潮率对纤维材料的影响，有利于保持纤维的相对介电常数的稳定。在相对湿度65条件下，不同纤维材料的 约在 范围内。f第36页/共41页0CC 00UCCC00UffCkU110 （3-30）式中： k1由电桥参数决定的常数。 从该式可看出，在 保持相当小的前提下，传感器输出电压 近似与测量槽内填充的纤维量成正比，从而实现了由