传感器原理及应用第5章 电容式传感器

1、传感器原理和应用，第5章静电容量式传感器，主要内容： 5.1静电容量式传感器的工作原理和类型5.2静电容量式传感器的输出特性5.3静电容量式传感器的应用例，传感器原理和应用，第5章静电容量式传感器，概要，传感器原理和应用，第5章静电容量式传感器，各种静电容量式传感器，概要传感器的原理第五章电容传感器、电容传感器的典型应用、概要、传感器的原理和应用，第五章电容传感器、传统电容传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量。 目前已应用于压力、差压、液面、成分含量等的测定。 静电容量式传感器的特征是，电容器电容小，为数百微法，具有高输出阻抗，静电引力小(极板间)，工作所需的力小，可动质量

2、小，具有高固有频率，动态响应特性好，电力小，可以进行自身发热影响小的非接触测量。 5.1静电电容传感器的工作原理和类型、传感器原理和应用、第5章静电电容传感器、静电电容传感器使测量的非电量变化为静电电容的变化，静电电容传感器的工作原理可以用平板电容来说明：变化式中的s极板面积、变化面积型传感器极板距离、变化极距型传感器介电常数， 变化介电型传感器真空介电常数相对介电常数无介质时空空气介质r=1， 5.1电容传感器的工作原理和类型，传感器原理和应用，第5章电容传感器，变极距离型传感器，5.1电容传感器的工作原理和类型，传感器原理和应用，第5章电容传感器，变面积型传感器，5.1电容传感器的工作原理

3、和类型，传感器原理和应用，第5章电容传感器5.2静电电容传感器输出特性1变极距离型()，传感器原理和应用，第5章静电电容传感器，初始电容，减少时电容c增加，传感器原理和应用，第5章静电电容传感器，那时，以泰勒级数展开，电容相对变化，5.2静电电容传感器输出特性1变极距离型()，无视高次项， 传感器灵敏度5.2静电电容传感器输出特性1变极距离型()传感器原理和应用，第5章为了提高静电电容传感器、传感器灵敏度k，必须缩小初始极距离，但是研究初始极距离受电容破坏电压限制的非线性随着相对位移的增加而增加， 为了保证线性，必须限制相对位移的起始极间距与灵敏度相矛盾，可变极间距型静电电容传感器为了提高适合

4、测量小位移的灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。 5.2静电电容传感器输出特性1变极距离型()、传感器原理和应用、5章静电电容传感器、差动构造的静电电容特性方程式，C1增加、C2减少、C1=C2、静电电容的总变化量、5.2静电电容传感器输出特性1变极距离型()、传感器原理和应用、5章静电电容传感器、静电电容相对变化量、 电容特性方程忽略高阶项：传感器(差动式)灵敏度、相对非线性误差，结论：差动式电容传感器比单个电容灵敏度减少了2倍的非线性误差。 5.2静电电容传感器输出特性2变面积型(s )，传感器原理和应用，第5章静电电容传感器，平板电容：可动极板x移动时的两极板间电容为：初始电容：电容的

5、相对变化量：平板变面积型静电电容传感器灵敏度，结论：变面积型静电电容传感器灵敏度k为常数输出特性，用于大的位移测定5.2电容传感器的输出特性3变介电常数式()，传感器原理和应用，5章电容传感器，某介质在两固定极板之间移动时，电容和介质参数的关系是：电容传感器，测量介电常数(粮食仓库，木材湿度)介质的厚度d (纸，薄膜的厚度) 测量时5.2静电电容传感器输出特性3可变介电常数式()传感器原理和应用，第5章静电电容传感器，d是介质的厚度，d、s不变，可以作为介电常数的测定器。 介电常数不变，与s一定，使介质的厚度d变化，可以作为厚度测定器。 5.2静电电容传感器的输出特性3变介电常数式()、传感器

6、原理和应用、第五章静电电容传感器、液位高度测量(根据液体容器的形状计算)、第五.3测量电路1 .静电电容传感器的等效电路、传感器原理和应用、第五章静电电容传感器、静电电容传感器的电容值的变化都很微小，无法直接显示记录静电电容传感器等效电路包括：传输线路的电感L0、包含电阻r (小)的极板等效漏电电阻Rg； 传感器电容器C0； 在a、b的两端分布电容Cp，Cp总是大于C0。 低频时Xc大，l、r可以忽略，高频时Xc小，l、r不能忽略，工作频率10MHz以上考虑到电缆电感l的影响，相当于l、c的串联，有一个谐振频率f0，f=f0时，串联谐振阻抗最小。 5.3测量电路1 .静电电容传感器的等效电路、

7、传感器原理和应用，第5章静电电容传感器用金属屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场的前级与开关元件直接或设置在同一框体内，避免信号的长距离传输的驱动电缆技术、驱动电缆技术连接电缆采用双重屏蔽，内部屏蔽和屏蔽的导线电位相同。 (从动件)使传输电缆和内屏蔽层为同电位，屏蔽线具有根据传感器信号而变化的电压，所以为了消除芯线对内层屏蔽层的电容性漏电造成的影响，称为(驱动电缆)。 内外屏蔽之间的容量为放大器负载。 该方法在10M的距离下不影响传感器性能，保证电容器1pF也正常工作。 提高电容传感器的稳定性。 5.3测量电路2 .桥电路、传感器原理和应用，第5章由静电电容式传感器、电容转换元件构成的变压器

8、式交流桥测量系统。 在单臂的情况下，连接在传感器c的相邻臂上的固定电容C0一致的差动形式传感器中，两个臂交流桥的输出电压为：代入：5.3测量电路2 .桥电路，传感器原理和应用，第5章静电电容式传感器，输出电压和输入位移处于理想的线性关系， 极板位于中间位置时，一片移动电容就会变化，5.3测量电路2 .桥电路、传感器原理和应用，5章静电电容式传感器、交流桥的多种形式，5.3测量电路3 .二极管双t型电路，传感器原理和应用，第5章静电电容式传感器，VE是高频对称方波电源，d 一个周期内的RL上的平均电压：一个周期内的负载RL上的输出电压URL与电源电压VE的振幅、频率f有关.与电容之差(C1-C2

9、 )成比例. 5.3测量电路3 .二极管双t型电路，传感器原理和应用，第5章静电电容式传感器，双t型电路工作原理分析正半周d If=I1 I2，If=I1 I2 C1=C2时，If=If，5.3测量电路4差动脉冲宽度调整电路，传感器原理和应用，第5章静电电容式传感器，电路图，电路结构： A1、A2比较器； FF触发器VD1、VD2和电阻构成充放电电路，Uf基准直流电压双稳定地输出的电容Cx1、Cx2是传感器差动电容。电路解析：电源接通时a高b低，R1对C1的充电c点上升到Uf，比较器A1的输出极性变化，触发器反转了的a低，b高，D1通道C1放电的同时b点通过C2充电使A2反转。 传感器原理和应

10、用，第5章静电电容式传感器，5.3测量电路4的差动脉冲宽度调整电路，波形图，C1=C2，UC，UD放电时间相同，输出平均电压U0=0； 输出C1C2、平均电压U00，在C1C2的情况下，输出a、b的两点的平均值等于UA、UB的差。 双稳定的两个输出端分别产生调制脉冲，且脉冲宽度由C1、C2调制。 输出为两端之差，低通输出，传感器原理和应用，第5章静电容量式传感器，第5章静电容量式传感器，第5章静电容量式传感器，第R1=R2，可变面积型，可变极间距型，输出电压，第5.3测量电路5运算放大器式电路，传感器原理和应用Cx传感器电容对于输出端、单极板平板电容器的传感器输出，输出电压U0和机械位移x (

11、)呈线性关系，解决了单电容的非线性关系。 5.3测量电路6的频率调制电路、传感器原理和应用，第5章静电电容式传感器、谐振曲线、频率调制测量电路把静电电容式传感器作为振荡器的谐振电路的一部分，输入被测量信号来变化电容，振荡器的振荡频率就会变化。 因为系统是非线性的，所以为了将频率的变化转换成电压变化，必须施加定界符。 5.4电容式传感器的应用例1 .电容式液位计，传感器原理和应用，第5章电容式传感器，水泥，化学工业，罐等的传感器电容：电容测量深度，角度动画演示，检测电极是电容的一个极，罐的壳体是电容的另一个极。 第一项是静电电容C0 :5.4静电电容式传感器的应用例2静电电容式压力传感器，传感器

12、原理和应用，第五章静电电容式传感器，结构： (金属弹性隔膜)片在两个玻璃球面上镀有金属制的接头的隔膜的左右两侧充满了硅油。 工作过程：当两室分别受到低压(PL )和高压(PH )时，硅油可将差压传递给测量隔膜，PH=PL时，隔膜位于中间位置，C1=C2； 有差压作用时，隔膜产生变形：测定PH PL时，隔膜PL弯曲，C1C2； 通过电路将这种电容变化转换成电压变化，5.4电容式传感器的应用例2 .电容式压力传感器，传感器原理和应用，第5章电容式传感器，电容式传感器外壳的隔膜结构，工业生产过程的自动控制中隔膜式压力计是常用的一种，电容式压力计绝对压力计以绝对真空为基准测量蒸发罐、反应罐的压力。压力

13、传感器/变送器的基础知识，另一方面，压力的基本概念1，压力和压力： 2，压力和压力单位：压力：帕斯卡(Pa )，压力：牛顿(n )。 3 .区分客户所说的压力和压力。 4、单位换算：1bar=1.0105 pa=100 kpa=14.7 psi=0.1 MPa=760 mmhg=10mm H2O 1ps I=6.89 kpa，1kg压力=0.98105Pa=1力/cm2inch2h2o=250pa，压力传感器3、测量差压(Differential，d )、两端的压力差。 4、密封表压力(Vent Guage，VG )以标准大气压为基准。压力传感器/变送器、压力芯体、压力检测元件1、表贴封装(测

14、试气压) 2、双列直插封装(测试气压) 3、TO-8封装(测试气压)、压力传感器/变送器，主要应用例：宇宙航空军工的情况下，例如风洞压力低温压力测试压力芯体、压力检测元件4、不锈钢封装(测试油压和气压)、5.4静电电容式传感器的应用例3静电电容式板材在线厚度计、传感器原理和应用、第5章静电电容式传感器、静电电容式厚度计测量金属带在轧制过程中的厚度变化。 条形材料是电容器的可动极板，总电容器C1 C2成为桥臂。 只是条材上下变动，Cx=C1 C2的总容量不变化的条材的厚度的变化使电容器Cx变化。 变压器式输出桥。 或者，采用运算电路的输出，5.4静电电容式传感器的应用例4静电电容式位移，传感器原

15、理和应用，5章静电电容式传感器，5.4静电电容式传感器的应用例5 .力平衡式加速度传感器，传感器原理和应用，5章静电电容式传感器，力平衡式传感器系统，测量出的东西是力和扭矩目前主要应用于超低频率低加速度测量，是惯性导航系统不可缺少的要素。 在导弹惯性系平台上，沿着3个坐标设置3个力平衡系式加速度传感器，测量各轴向加速度。 用积分器计算机求出三个轴方向的速度和位移，确定运动物体在空间中的坐标位置，提供各种反馈控制信号。 因为加速度是物体不依赖于外部参照物的唯一运动参数。 5.4静电电容式传感器的应用例5 .力平衡式加速度传感器，传感器原理和应用，第5章静电电容式传感器，力平衡式加速度传感器构造： m惯性元件，放大器，C1，C2位移传感器，磁矩器，静电电容片被固定在质量的快速上。 扭矩器的反馈力、惯性力、-扭矩器的机电耦合系数、工作原理：壳体加速度、反馈力F=Fx (惯性力)时，位移Y=0。 5.4电容式传感器的应用例5 .力平衡式加速度传感器，传感器原理和应用，第五章电容式传感器，惯性系是典型的二次机械系，固有频率和衰减比取决于惯性元件的衰减系数b和弹性系数c，惯性元件的传递函数为：5.4电容式传感器的应用例6 .智能型电容式传感器， 传感器原理和应用第5章静电电容式传感器、智能型静电电容式传感器的电路构成、兼容协议、硅静电电容式集成传感器由压力检测型电容器、转