传感器原理及应用第5章 电容式传感器概要

1、传感器原理和应用，第五章电容式传感器，主要内容：5.1电容式传感器工作原理和类型5.2电容式传感器输出特性5.3电容式传感器测量电路5.4电容式传感器测量电路的应用实例，传感器原理和应用，第五章电容式传感器原理和应用，第五章电容式传感器，各种电容式传感器，概述，传感器原理现在逐渐应用于压力、差压、液面、成分含量等的测量。电容传感器的特点是数十种具有高输出阻抗的微方法的电容。静电重力很小(板之间)，工作所需的力很小。低动态质量，高固有频率动态响应特性；功率小，热影响小；非接触测量是可行的。5.1电容传感器工作原理和类型，传感器原理和应用，第5章电容传感器，电容传感器将测试的非电容改变为电能，电容

2、传感器的工作原理可以由平板电容器说明：可变区域传感器板距离，可变区域传感器介电常数，可变介质传感器真空介电常数相对介电常数，非介质空气介质r=1，1 5.1电容式传感器工作原理和类型，传感器原理和应用，第5章电容式传感器，可变区域传感器，5.1电容式传感器工作原理和类型，传感器原理和应用，第5章电容式传感器，可变介质传感器，5.2电容传感器输出特性1可变极坐标()传感器原理和应用，第5章电容式传感器，初始电容电容相对变化，5.2电容传感器输出特性1可变螺距类型()忽略高项，传感器灵敏度，5.2电容传感器输出特性1可变极点类型()传感器原理和应用，5章电容传感器，讨论：为了提高传感器灵敏度，k必

3、须减小初始极点距离，但初始极点距离受容量破坏电压的限制。 为了确保线性，非线性随着相对位移的增加而增加。起始极和灵敏度矛盾，变极容量传感器适用于测量小位移。为了提高灵敏度和改善非线性，通常使用差分结构。5.2电容式传感器输出特性1可变螺距模式()传感器原理和应用，第5章电容式传感器，差分结构的电容特性计算公式如下，增加C1，减少C2和C1=C2，总容量变化，5.2电容式传感器输出特性1可变螺距模式()传感器原理和应用，第5章电容式非线性错误减少(倍增)。5.2电容传感器输出特性2可变面积类型(s)，传感器原理和应用，5章电容传感器，平板容量：移动板移动x时，两极之间的电量为：初始容量：电容的相

4、对变化量：平板可变面积容量传感器灵敏度，结论：可变面积容量传感器灵敏度k是常数。输出特性是线性的。适用于大位移测量。，5.2电容传感器输出特性3可变遗传常数()传感器原理和应用，5章电容传感器，介质在两个固定板之间移动时，电容量和介质参数之间的关系如下：可变介电常数容量传感器在很多情况下：介电常数(粮仓，木材湿度)介质厚度测量d(纸，薄膜厚度)，5.2电容传感器输出特性3可变介电常数()传感器原理和应用，5章电容传感器，d是介质的厚度，d，s不变，可以用作介电常数的测试设备，油田常数保持不变，可以更改s和常量，介质厚度d以用作测厚仪。5.2电容式传感器输出特性3可变遗传常数()传感器原理和应用

5、，5章电容式传感器，基于液体容器形状的水平高度测量，5.3测量电路1。电容传感器的等效电路、传感器原理和应用、第五章电容传感器、电容传感器的电容值变化很小，不能直接显示记录，必须将容量变化转换为电流、电压变化。电容传感器的等效电路包括：传输线的电感L0，电阻r(小)。板等效泄漏电阻rg；传感器容量c0；a、b两端分布着电容器Cp，Cp经常大于C0。低频时Xc较大，l，r可忽略，高频时Xc较小，l，r不可忽略，工作频率必须考虑10MHz以上电缆电感l的影响。有相应的l，c串联，谐振频率F0，当f=f0时，串联谐振阻抗最小。5.3测量电路1。电容传感器的等效电路、传感器原理和应用、五章电容传感器、

6、金属屏蔽屏蔽电容器转换元件、静电场和交流磁场消除；前电平在转换元件或同一壳体上，以避免信号远距离传输；驱动器电缆技术、驱动器电缆技术是等电位屏蔽方法。连接电缆使用双屏蔽，内部屏蔽等于屏蔽导体的电位。(follow-follow)消除了电压取决于传感器信号的传输电缆和内核对内部屏蔽层的容量泄漏，从而消除了寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。在10米距离的情况下，此方法在不影响传感器性能的情况下，即使容量为1pF的情况下，此方法也起作用。可以提高电容式电感的稳定性。5.3测量电路2。变压器交流电桥测量系统，由桥式电路、传感器原理和应用、第五章电容传感器、电容转换组件组成。单臂，传感器c

7、相邻臂与固定容量C0匹配。差分格式传感器是两座桥交流桥的输出电压，接收：5.3测量电路2。桥电路、传感器原理和应用、第五章电容传感器、输出电压和输入位移的理想线性关系、平板处于中间位置时转盘向上移动时电容的变化、5.3测量电路2。桥式电路、传感器原理和应用、第5章电容传感器、各种形式的交流电桥、5.3测量电路3。二极管双t型电路、传感器原理和应用、五章电容式传感器、VE具有高频对称方波电源、D1、D2特性等二极管C1、C2传感器差动电容r固定电阻、RL负载。在一个周期内，RL的均方根电压为。在一个周期内，负载RL的输出电压URL与电源电压VE幅度、频率f相关。与电容的差值(C1-C2)成正比的

8、5.3测量电路3。二极管双t型电路、传感器原理和应用、五章电容式传感器、双t型电路工作原理分析正反D1传导D2阻塞C1充电；负半主D1截止D2传导C2充电；如果If=I1 I2，If=I1 I2 C1=C2，则If=If，5.3测量电路4差动脉宽调整电路，传感器原理和应用，5章电容式传感器，电路图，电路配置：A1，A2比较器；FF双稳触发器；VD1、VD2和电阻组成充放电电路；Uf基准直流电压；输出的双稳态；电容Cx1、Cx2是传感器差动电容。，电路分析：开机时a高b低，R1到C1充电c点上升到Uf，比较器A1输出极性变化，触发器翻转；a低b高，D1通路C1放电；b点还用C2充电反转A2。传感

9、器原理和应用，5章电容式传感器，5.3测量电路4差动脉宽调整电路，波形图，C1=C2，UC，UD放电时间相等，输出平均电压u0=0；C1C2，输出平均电压U00，对于C1C2，输出a，b两点的平均值等于UA，UB的差值。双稳态输出的两端分别由C1，C2产生调制脉冲。输出为两端差、低通输出、传感器原理和应用、5章电容式传感器、5.3测量电路4差动脉宽调整电路、R1=R2、可变区域、可变螺距类型、输出电压、5.3测量电路5运算放大器电路、传感器原理和应用、5章电容式传感器、k为理想oodCx传感器电容，Co固定电容；对于输入部、输出部，单板平板电容器传感器操作器的输出可能如下所示：输出电压U0与机

10、械位移x()形成线性关系，解决了单电容的非线性关系。5.3测量电路6 FM电路、传感器原理和应用、5章电容传感器、谐振曲线、FM测量电路将电容传感器作为振荡器谐振电路的一部分，在输入检测信号改变电容时改变振荡器的振荡频率。系统是非线性的，需要添加鉴频器将频率变化转换为电压变化。5.4电容式传感器应用实例1。电容式液位计，传感器原理和应用，第五章电容式传感器，水泥，化学，罐头等传感器静态电容：电容测量深度，角度动画演示，传感电极是电容的极点之一，罐子外壳是电容器的另一极。第一个是电容c0:5.4电容式传感器应用案例2电容式压力传感器，传感器原理和应用，第五章电容式传感器，结构： (金属弹性膜片)

11、动画师；两个玻璃球面上有金属片镀金。隔膜的左右两侧充满了硅油。工作过程：硅油可以在两个腔分别承受低压(PL)和高压(PH)的情况下，通过测量膜片传递压差。PH=PL时，隔膜位于中间位置，C1=C2差压作用下膜片的变形测量：PH PL，膜片PL方向弯曲，C1C2；5.4电容式传感器的应用实例2。电容式压力传感器、传感器原理和应用、第五章电容式传感器、电容式传感器盒式膜片结构、工业生产过程自动控制中的膜片压力计是常用类型之一，电容式膜片压力传感器是基于大气的管道、盒内、罐内压力两种。绝对压力计以绝对真空为标准测量蒸发罐、反应罐的压力。压力传感器/变送器基本知识，第一，压力基本概念1，压力(Pres

12、sure)和压力(Pressure，force): 2，压力和压力(Pressure)的单位：压力3、区分客户所谓的压力和压力。4，单位转换：1bar=1.0105 pa=100 kpa=14.7 psi=0.1 MPa=760 mmhg=10 mh2o 1ps I=6.89 kpa，1kg压力=0.98105pa3、测试差压(Differential，D)、两端的压力差。4、密封表压力(Vent Guage，VG)，基于标准大气压。、压力传感器/变送器、压力核心、压力敏感元件1、表面附着包(测试压力)2、双列直插包(测试压力)3、TO-8封装(测试压力)、压力传感器/变送器、主要应用领域：风

13、洞压力测试钢带为电容器活动板，整体电容C1 C2为桥臂。仅当条带上下波动时，Cx=C1 C2总电量保持不变。由于带材厚度的变化，电容器Cx发生了变化。变压器输出桥。或使用运算放大器电路输出：5.4电容传感器的应用示例4电容位移，传感器原理和应用，5章电容传感器，5.4电容传感器的应用示例5。力平衡加速度传感器、传感器原理和应用、五章电容式传感器、力平衡传感器系统首先将测量转换为力或力矩，然后使用反馈力与可测量的加速度、角速度、压力变量、功率等进行平衡。目前主要用于超低频、低加速度测量，是惯性导航系统不可缺少的关键组件。在导弹的惯性系统平台上沿3个坐标设置3个力平衡系统加速度传感器，分别测量3个

14、轴加速度。通过集成计算机求出三轴速度和位移，确定空间中运动物体的坐标位置，提供各种反馈控制信号。因为加速度是物体不依赖外部参考物质的唯一运动参数。5.4电容式传感器的应用实例5。力平衡加速度传感器、传感器原理和应用、第五章电容传感器、力平衡加速度传感器结构：m惯性元件、放大器、C1、C2位移传感器、磁力矩装置、电容动态片固定在质量速度上。力矩器的反馈力，惯性力，-力矩器机电耦合系数，工作原理：壳体加速度，反馈力F=Fx(惯性力)下的位移Y=0。5.4电容式传感器的应用实例5。力平衡加速度传感器，传感器原理和应用，第五章电容传感器，惯性系统是典型的二次机械系统，固有频率和阻尼比是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：5.4电容传感器的应用实例6。智能电容式传感器、传感器原理和应用、第五章电容式传感器、智能电容式传感器电路结构、电容式集成传感器一般由压力敏感电容器、转换电路和辅助电路三部分