44电容式传感器PPT学习教案

1、会计学144电容式传感器电容式传感器21.掌握电容式传感器的类型（根据工作原理）、特点及其应用；2.了解电容式传感器的测量电路；3.了解电容式传感器的特点；4.了解电容式传感器的应用第1页/共31页31. 工作原理及类型用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时其电容C为：A、A或发生变化时，都会引起电容的变化。变面积型电容式传感器变极距型变介质型0AC 第2页/共31页4（1） 极距变化型变极距型传感器常常是一块极板固定而使另一块极板移动，从而改变极距以引起电容的变化。+因此电容器传感器的灵敏度为： 02ACS 灵敏度与极距的平方值成反比，极距越小时灵敏度越高。为减小非线性误差，该类

2、传感器通常用于测量微小位移。0AC 02AC 第3页/共31页5n为减小非线性误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作以便获得近似的线性关系。一般取极距变化范围为n减小可以提高灵敏度。但过小易导致电容器击穿。可在极间加一层云母片或塑料膜来改善电容器耐压性能。02ACS 0.1 第4页/共31页6为提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等），常采用差动式结构。在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板的距离均为第5页/共31页7设可动极板上移 ，则 增大， 减小。1C23100000011()()1CCC23200001()()CC电容的总变化量为：002C

3、C灵敏度为：002CCS可见，采用差动式电容传感器，灵敏度提高一倍，非线性得到改善。变极距型差动电容传感器2C31200022()CCCC第6页/共31页8（2） 面积变化型0AC 第7页/共31页9A ) 角位移式电容传感器可见，电容值与角位移 呈线性关系。22rA202rC 此时，传感器的灵敏度k为：202dCrkd 常数当两极板相对角位移为 时，第8页/共31页10B ) 直线位移式电容传感器当两极板相对距离为x时，电容量：传感器的灵敏度为：0 xdCbkdx 常数0 xbxC 第9页/共31页11C ) 圆柱体线位移式电容传感器随动板圆柱的位移，定板圆柱与动板圆柱之间的覆盖面积发生变化

4、，从而电容量发生变化。02ln()xCD d 两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：x当覆盖长度变化时，02ln()CkxD d 常数通过A）B）C）的分析可得出结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即具有良好的线性，但灵敏度较变极距型低。大多数用来检测较大直线位移及角位移等参数。变面积式电容传感器也采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。第10页/共31页12（3） 介质变化型当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度、液面高度等，也可用来测量介质材料的湿度、介电常数等。A ) 电容测厚仪C0C1C0101C CCCC这

5、种传感器的电容量等于两个电容 和 相串联0C1C0AC 第11页/共31页130010101000010111011011AAC CAACAACC 此时 为空气相对介电常数， 为待测体的相对介电常数，当厚度 不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪。011 如果待测体的介电常数 不变时，可作测厚仪使用。10101C CCCC10第12页/共31页14B ) 电容液面计两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：这类传感器常常采用同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。02ln()hCD d 第13页/共31页15设容器中介质是不导电液体（如果是导电液体，则电极需绝缘）总的电容 相当于上方气体介质间

6、的电容量 和液体介质间电容量 之和（相并联）。022021122()ln(/)ln(/)hhhCD dD d 01 122ln(/)hCD d 1C2CC02101 1120201212()2ln(/)ln(/)22()ln(/)ln(/)hhhCCCD dD dhhD dD d AK1KhAC可见，同轴圆筒电容传感器的电容量与液位成线性关系。C1CC221CCC第14页/共31页16电容式传感器的电容值一般十分微小，不便于直接显示、记录和传输。因此，必须借助于测量电路检测出这个微小的电容变量，并转换为电压、电流或频率信号。2. 电容式传感器的测量电路与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有

7、桥式电路、调频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。 第15页/共31页17（一） 交流电桥Ui交流放大器相敏检波器低通滤波器Z1Z2Z3Z4SCUE电容传感器阻抗第16页/共31页18电桥初始平衡条件：3241ZZZZ0SCU当被测参数引起传感器阻抗变化 时，ZEZZZZZZZZUSC)(433211代入初始平衡条件，化简：EZZZZZZUSC221211)1()(1SCZUZ对于电容传感元件来说，有如下关系：111ZCdZCd第17页/共31页19Cr1Cr2USCU第18页/共31页20（二） 调频振荡电路这种电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而使电容量发

8、生变化时，能使振荡频率发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容传感器的电容调制故称为调频电路。这种电路具有抗干扰性强，灵敏度高等优点；但缺点是电缆电容的影响较大。第19页/共31页21（三） 运算放大器电路当运放的输入阻抗很高，增益很大时，认为输入电流 ，则0I00yxuCuC 000yCuuA 从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性。该电路要求固定电容 必须稳定，信号源电压必须采取稳压措施0C0I第20页/共31页22（四）脉冲调宽型电路该电路由比较器A1 A2，双稳态触发器及电容充放电回路组成。C1、C2为差动电容，双稳态触发器的两个输出端A、B作为差动脉冲宽度调制电路的输

9、出，为宽度受C1、C2调制的方波脉冲。特点：1. 不需要附加调制器即能获得直流输出；2. 输出信号一般为100kHz1MHz的矩形波，所以直流输出只需要经过低通滤波器简单引出；第21页/共31页23（一）电容测厚仪 当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，则 发生变化。 增大，表示板材厚度变厚； 减小，表示板材厚度变薄。 的变化经过电桥调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放大后，一方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差信号送给压力调节器，使板材厚度控制在规定范围内。xCxCxCxC第22页/共31页24（二）电缆偏心测量 图为测量电缆芯的偏心原理图，在实际应

10、用中是用两对电容传感器，分别测出在x方向和y方向的偏移量，再经计算得出偏心值。 第23页/共31页25（三）电容式压力传感器 它由金属弹性膜片与镀金凹型玻璃圆片组成。当被测压力P通过过滤器进入空腔时，由于弹性膜片两侧的压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个镀金玻璃圆片与弹性膜片间的电容量。第24页/共31页2600CCCCCAAL00CCCCCAAHACC ,0如何求？第25页/共31页27对于一个球面平面型电容器，在忽略边缘效应时，可用单元积分法求出ACC ,0)(ln8.100pFddRCbr2220ln4baaPPRCLHrA第26页/共31页28上述差动式电容传感器配置二极管环行检波电路，即可输出（420）mA标准电流信号。00CCCCCAAL00CCCCCAAH稳幅放大器比例放大器恒压恒流源电流转换器第27页/共31页29FFBHLHLFSCRURUCCCCRRII0将两差动电容值代入二极管环行检波电路输出电流表达式，得到：FFBAFSCRURUCCRRI