《电容式传感器》ppt课件

1、第3章 电容式传感器第三章 电容式传感器 第一节第一节 电容式传感器的任务原理和构造电容式传感器的任务原理和构造第二节第二节 误差的要素及改良措施误差的要素及改良措施 第三节第三节 电容式传感器的丈量电路电容式传感器的丈量电路第四节第四节 电容传感器的运用举例电容传感器的运用举例第3章 电容式传感器第一节第一节 电容式传感器的任务原理和构造电容式传感器的任务原理和构造一、根本任务原理一、根本任务原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，其电容量为 ：dAC式中: 电容极板间介质的介电常数，=0r，其中0 为真空介电常数，r极板间介质的相对介电常数； A两平行板所覆盖的面积； d两平

2、行板之间的间隔。 第3章 电容式传感器 当被测参数变化使得上式中的A、 d或发生变化时， 电容量C也随之变化。假设坚持其中两个参数不变，而仅改动其中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化，经过丈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、 变面积型和变介电常数型三种。第3章 电容式传感器1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 和A为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为 00dAC 假设电容器极板间间隔由初始值d0减少了d，电容量增大了C，那么有 20000000111ddddCddCddACCC第3章 电容式传感器CC1C2Od1d2CC1C2Od1

3、d2d电容量与极板间间隔之间的关系 假设d/d01时，1-(d/d0)21，那么：000ddCCC 此时C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器往往设计成在d极小范围内变化。第3章 电容式传感器 由C0式可以看出，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的资料云母、 塑料膜等作介质, 此时电容C变为 gdgd00000ddACggg云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度； dg云母片的厚度。 第3章 电容式传感器 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电

4、压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始间隔可大大减小。同时，上式中的dg/0g项是恒定值， 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 普通变极板间间隔电容式传感器的起始电容在20100pF之间， 极板间间隔在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移丈量中运用最广。 第3章 电容式传感器2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器1 1直线位移型直线位移型被丈量经过动极板挪动引起两极板有效覆盖面积A改动，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，那么电容为 axCdbxaC1)(0axCC0电容量电容量C

5、与程度位移与程度位移x呈线性关系。呈线性关系。 第3章 电容式传感器(2) (2) 角位移型角位移型动 极 板定 极 板当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改动，从而改动了两极板间的电容量。当=0时，那么 00dAC当0时， 那么 0001CCdAC电容量C与角位移呈线性关系。 第3章 电容式传感器3 3、变介质型电容式传感器、变介质型电容式传感器(1) (1) 常用变介质型常用变介质型BACCC11221ddbaCA1211ddalbCB2110ddblC212121001ddlaCCC第3章 电容式传感器(2) (2) 并联柱面构造并联柱面构造用于丈量液位高低。设被用于丈

6、量液位高低。设被测介质的介电常数为测介质的介电常数为11，液面高度为液面高度为h, h, 变换器总高变换器总高度为度为H H，内筒外径为，内筒外径为d d，外，外筒内径为筒内径为D D。dDnHC120第3章 电容式传感器dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011电容增量正比于被测液位高度h。第3章 电容式传感器(3) (3) 并联平面板构造并联平面板构造axCaxdabdbxadxbCCC22102212212111第3章 电容式传感器二、差动式电容传感器二、差动式电容传感器1 1、变面积型差动电容传感器、变面积型差动电容传感器1 1平面板构造直线

7、位移型平面板构造直线位移型位移位移x4 a定极板定极板动极板动极板2C1C定片长定片长4a4a，宽，宽b b动片长动片长2a2a，宽，宽b b动态时：动态时：dabCCCx0210，静态时：静态时： axCxadbxCaxCxadbxC110201第3章 电容式传感器2 2圆柱面构造直线位移型圆柱面构造直线位移型lr2R2x位移 xC1 xC2rRlCCCxln20021，静态时：静态时：动态时：动态时： lxCxlrRxClxCxlrRxC1ln21ln20201第3章 电容式传感器3 3平面扇形变面积角位移构造平面扇形变面积角位移构造 0002220002211212CrRdCCrRdC0

8、220212rRdCCC静态时：静态时：动态时：动态时：第3章 电容式传感器2 2、变极距型差动电容传感器、变极距型差动电容传感器定定片片动片动片0d0d1C2Cd位移动态时：动态时：00210dACCCd，静态时：静态时：dddCddCddAdCdddCddCddAdC000002000001111111两极板对应的面积为两极板对应的面积为A A。第3章 电容式传感器三、电容传感器输出特性三、电容传感器输出特性 在差动式平板电容器中，当动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d, 那么 002001/11/11ddCCddCC第3章 电容式传感器在d/

9、d01时, 按级数展开得 3020002302000111ddddddCCddddddCC电容值总的变化量为 503000212ddddddCCCC第3章 电容式传感器电容值相对变化量为 40200012ddddddCC略去高次项，那么C/C0与d/d0近似成为如下的线性关系： 002ddCC 假设只思索C/C0式中的线性项和三次项, 那么电容式传感器的相对非线性误差r近似为 %100%100|/|2|)/( |220030 ddddddr第3章 电容式传感器非差动型平行板电容传感器可知， 电容的相对变化量为 0011ddCC当|d/d0|1时，上式可按级数展开，可得 113020000ddd

10、dddddCC第3章 电容式传感器 由上式可见，输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间成非线性关系，当|d/d0| Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 那么有 10UddUo12121UddddUo第3章 电容式传感器同样， 在变面积电容传感器中， 那么有 1USSUo 由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板间隔以及变面积差动式电容传感器，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，调宽频率的变化对输出没有影响。 12121UAAAAUo式中, A1、A2分别为Cx1、Cx2极板间面积。当差动电容Cx1Cx2 有 第3章 电容式传感器tuAuAuBu AB

11、U1-U1000U1U1T1T2ttttt(a)0U1uB0U1UCUr0tUDUr0tu AB-U1U10tU0Ur0T2t(b)UDUrT10UC第3章 电容式传感器第四节第四节 电容传感器的运用举例电容传感器的运用举例1、电容式压力传感器、电容式压力传感器 外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器第3章 电容式传感器 图为差动电容式压力传感器的构造图。 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时， 所构成的两个电容器的电容量，一个增大， 一个减小。 该电容值的变化经丈量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变

12、化。 第3章 电容式传感器2、电容式加速度传感器、电容式加速度传感器 差动式电容加速度传感器构造图 621C1C25d1d2431固定电极；2绝缘垫；3质量块；4弹簧；5输出端；6壳体第3章 电容式传感器 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， 质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向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，一个添加，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度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率呼应快和量程范围大， 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。 第3章 电容式传感器3、差动式电

13、容测厚传感器、差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其任务原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，测，其任务原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材间隔相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器与带材间隔相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线衔接起来成为一个极，。把两块极板用导线衔接起来成为一个极， 而带材就而带材就是电容的另一个极，其总电容为是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，假设带材的厚度发，假设带材的厚度发生变化，生变化， 将引起电容量的变化，将引起电容量的变化， 用交流电桥将电容的变化测出用交流电桥将电容的变化测出来，来， 经过放大即可