第三章电容式传感器.ppt

1、第三章电容式传感器，本章的主要内容是： 1。电容式传感器的结构原理；2.电容式传感器的主测量电路；3.电容式传感器的结构类型；4.电容式传感器的典型应用；通过学习要求掌握电容式传感器的正确选择方法。第二章主要介绍了电阻式传感器。其主要内容如下：综述：1 .定义：电阻传感器；2.分类：1)根据工作原理可分为：2)可根据制造方法进行划分；3.电阻应变传感器-应变仪；1)原理：是一种将测量值转化为电阻变化的传感器。基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随机械变形(伸长或缩短)的变化而变化。3)线应变仪：对于金属材料，电导率不变；2)应变仪的电阻变化率：4)半导体应变仪

2、；4)应变仪测量电路；第三章电容式传感器；1)转换原理：将测量的变化转换成电容变化；2)优点：结构简单，灵敏度高，动态响应特性好，适应性强。缺点：电容传感器的泄漏电阻和非线性也给其应用带来一定的限制。4.应用：测量压力、力、位移、振动、液位等参数。3.1电容式传感器的原理和类型，电容式传感器的基本工作原理如图所示，从中可以看出，A和D三个参数直接影响电容C。因此，电容式传感器可以分为三种类型：1。可变面积型，可改变板面积；2.可变间隙型，用于改变极板之间的距离；3.改变介电常数的可变介电常数公式。a或变化，它会引起电容的变化。3.1.1可变面积电容式传感器、(1)线性位移型，当移动板移动x时，

3、覆盖面积变化，电容也相应变化，其值为：灵敏度为：可变面积电容传感器的灵敏度是恒定的，即输出与输入成线性关系。3.1电容式传感器的原理和类型。下图显示了角位移电容式传感器。当移动板有角位移时，两个板之间的覆盖区域改变，导致电容改变。此时，电容值为：(2)角位移式，3.1.1可变面积电容式传感器，3.1电容式传感器的原理和类型，(3)圆柱形电容式传感器，下图为圆柱形。当移动板有线性位移时，两个板之间的覆盖区域改变，导致电容改变。3.1.1可变面积电容传感器，3.1电容传感器的原理和类型，3.1.2可变间隙电容传感器(改变电极之间的距离)。下图是可变间隙电容式传感器的示意图。当可移动板由于测量参数的

4、改变而移动时，两个板之间的电容c改变。假设极板面积为A，其静态电容为：当活动极板移动X时，其电容为：3.1电容传感器的原理和类型，例如：电容式麦克风，3.1.2可变间隙电容传感器(改变电极之间的距离)，4。通常，云母、塑料薄膜和其他具有高介电常数的物质被放置在板之间以改善绝缘。1.电容c与x不是线性关系，只有当xd时，它才被认为是最接近的线性关系。2.为了提高灵敏度，应该减小初始间隙d。3.当D太小时，很容易引起故障，同时加工精度也很高。在实际应用中，为了提高灵敏度和降低非线性，可以采用微分结构。3.1电容式传感器的原理和类型，讨论：当xd，那么：3.1.3可变介电常数电容式传感器，3.1电容

5、式传感器的原理和类型，1)当介电常数改变时，电容也会改变，这可以用下面的公式表示。上图显示了电容传感器随介质面积的变化。这种传感器可以用来测量料位或液位，也可以测量位移。表3-1几种介质的相对介电常数，3.1.3可变介电常数电容传感器，3.1电容传感器的原理和类型。根据表3-1，分析不同介质对v的影响当在电容器的两个极板之间插入干纸或湿纸时，哪种情况的电容较大？什么非电可以用来测量？2)应用示例1:电容式接近开关，其中测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身。当物体向接近开关移动时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得与测量头相连的电路状态也随之变化，从而控制开关的通断；接近开关的检

6、测对象不限于金属导体，还可以是绝缘的液体或粉状物体。2:电容式速度传感器结构原理，3.2普通测量电路，3.2.1双T桥电路，在测量电路图中，C1和C2是电容式差动传感器的电容，RL是负载电阻，V1和V2是理想的二极管，而R1和R2是固定电阻。常用电路包括：双T桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路和调频电路。当V1打开，V2关闭时，C1被充电；相反，当V1不在时，V2在时，C2就会发动进攻；从图中可以看出，一路经过R1和RL，另一路经过R2和RL，此时流经RL的电流为i1；如果C1或C2发生变化，负载R1上产生的平均电流将不会为零，因此将输出一个信号。电桥转换电路不同于P144，3.2普通测

7、量电路，3.2.1双t电桥电路，1)测量电路，普通电路包括：双t电桥电路，运算放大器测量电路，脉冲调制电路和调频电路。2)双丁桥电路的特点：有一个公共接地点。V1和V2在伏安特性的线性范围内工作。输出电压更高。灵敏度与电源频率有关。它可以用作动态测量。3.2公共测量电路3.2.2运算放大器式测量电路公共电路包括：双丁桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路和调频电路。电路的原理如上图所示。如果将输出电压代入上述公式，则输出电压u0和移动极片的位移d之间存在线性关系。3.2、常用测量电路(10.20)、3.2.3脉冲调制电路，常用电路包括：双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路和调频电路

8、。差分电容C1和C2的大小控制着d C电压的通断，得到的方波与C1和C2有一定的函数关系。可以看出，输出电压与电容的变化呈线性关系。3.2常用测量电路，3.2.4调频电路，常用电路包括：双T桥电路，运算放大器测量电路，脉冲调制电路和调频电路。当电容变化时，振荡频率发生变化，然后由鉴频电路转换成幅度变化，放大后显示出来。这种方法叫做调频法。测量电路见下图。振荡频率为3.2普通测量电路和3.2.4调频电路。常用电路包括：双T桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路和调频电路。当电容变化时，振荡频率发生变化，然后由鉴频电路转换成幅度变化，放大后显示出来。这种方法叫做调频法。测量电路见下图。振荡频率为

9、，机械式油表：在油箱内安装一个类似马桶水箱的浮球，电阻丝盘电位器由杠杆驱动，输出油量由电流表指示。3.3电容式传感器的应用、3.3.1在液位测量和控制中的应用、电容式油量表、电容式油量表，当油箱加满油时，液位上升，指针停留在m的拐角处，当油箱中的油位下降时，电容式传感器的电容Cx下降，电桥失去平衡，伺服电机反转，指针逆时针偏转(指示值下降)，同时带动RP的滑臂移动。当电阻达到一定值时当液位达到设定值时，输出低液位。然而，也可以选择具有高输出水平的模型。3.3电容式传感器的应用，3.3.1在液位测量和控制中的应用，CTS-DFD电容式液位限位开关，3.3.1电容式传感器的应用，CTS-DFD电容

10、式液位限位开关这是一种具有高-高、高-低、低-低报警开关输出的射频电容式液位开关。智能液位传感器的设定方法很简单：用手指按下设定按钮，当液位达到设定值时，松开按钮，智能仪表就会记住设定值。在正常使用中，当水位高于该点时，可以发出报警信号和控制信号。设置按钮、智能液位限位传感器设置按钮、超限灯、正常工作指示灯、设置按钮、电源指示灯、3.3电容式传感器应用、3.3.2压力测量应用、CCPS32陶瓷电容压力传感器、CCPS32干式陶瓷电容厚膜压力传感器，输出高、量程大，特别适合制造工业控制用高性能压力变送器。大型圆形膜片表面光滑，安装方便，是欧洲和美国公司生产压力变送器的首选传感器，如欧洲电气公司、

11、ABB公司、西门子公司、惠普公司和VEGA公司。陶瓷被认为是一种高弹性、耐腐蚀、耐磨、耐冲击和耐振动的材料。3.3电容式传感器的应用和3.3.2在压力测量中的应用。FB0802陶瓷电容式压力变送器FB0802陶瓷电容式压力变送器采用国际先进水平的陶瓷电容式传感器，配以高精度电子元器件，经过严格的工艺流程组装而成。抗过载和冲击能力强，稳定性高，测量精度高。3.3电容式传感器的应用3.3.2电容式变送器的应用1151系列电容式变送器1151系列电容式变送器是美国罗斯蒙特公司生产的产品，具有设计原理新颖、品种规格齐全、安装使用方便、本质安全防爆等特点。其外部结构如图所示。1)工作原理被测介质的两个压

12、力被引入到高压室和低压室中，这两个压力作用在元件(即敏感元件)两侧的隔离膜片上，并通过隔离膜片和元件中的填充液体被传递到预张紧测量膜片的两侧。当两侧压力不一致时，测量膜片会发生位移，位移与压差成正比，因此两侧电容会不相等。检测后，将被放大并转换成4-20mA的电流信号输出。3.3电容式传感器的应用，3.3.3在位移测量中的应用，capaNCDT610电容式位移传感器的结构如图所示。传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成比例，由检测器和可设置的补偿电压叠加，放大并作为模拟信号输出。1)应用领域主要用于振动、偏心、裂纹、振荡、同心度、位移、膨胀、偏转、波动、倾斜、尺寸公差、零件识别、冲击、轴向

13、振动、轴承振动和油膜间隙等。3.3电容式传感器的应用，3.3.3在位移测量中的应用，capaNCDT610电容式位移传感器的结构如图所示。传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成比例，由检测器和可设置的补偿电压叠加，放大并作为模拟信号输出。2)特点：一、工作时无磨损和维护；二.零点稳定性和精度高；三.几乎与温度无关；四.传感器对被测物体没有作用力；五、与被测物体的电导率和电导率的变化无关；3.3电容式传感器的应用，3.3.3在位移测量中的应用，capaNCDT610电容式位移传感器，3)系统结构它是一个精密的单通道系统，由电容式位移传感器、传感器电缆和信号处理预处理器组成。用户可以在现场用两

14、点线性化方法进行校准。下图主要由五部分组成：传感器、电缆、前置放大器、电源电缆和电源。，3.3电容式传感器的应用，3.3.3在位移测量中的应用，capaNCDT610电容式位移传感器，4)技术参数在室温下测量20，传感器电缆长度为1米。当被测材料为金属时，信号的线性特性无需重新校准即可测量。电导率的变化不会影响传感器的灵敏度和线性度。3.3电容式传感器的应用，3.3.3在位移测量中的应用，capaNCDT610电容式位移传感器，5)线性化校准，出厂前已用金属材料校准，输出0.10v，当精度较低时，测量范围可扩大2-3倍，如上图所示。6)传感器和电缆传感器配有保护环，保护环通过1米长的电缆与前端

15、设备相连。在应用中，不需要重新校准，灵敏度误差在0.51%以内。请咨询特殊传感器。所有传感器都可以简单地安装，无需安装座椅。通常用沉头螺钉或开口夹具进行固定(如图所示)。3.3电容式传感器的应用，3.3.3在位移测量中的应用，TR230电容式微传感器，1)工作原理如图所示，电容式传感器是一个无差调节的闭环控制系统，基本测量部分是一个差动电容，它通过电容的电荷耦合将机械位移转换成相应的电信号变化，然后将电信号发送到电子电路，再经过一系列的变换和计算后显示机械位移。2)外形尺寸具体结构尺寸为：L0=31(毫米)，L=194(毫米)，TR230型；3.3电容式传感器的应用、3.3.3位移测量的应用、

16、TR230电容式光栅微传感器、3)技术指标一、测量范围：0-30毫米/0-50毫米/0-100毫米二。分辨率：0.01毫米，0.005毫米三级。测量力：2.5牛米。最大移动速度：1.5米/秒。工作温度：10-40牛米。储存温度：0-55。它可以接地或不接地。调节接近开关尾部的灵敏度，调节电位器，可以根据不同的被测物体改变动作距离。电容式接近开关的外观，安装齐平式、非齐平式、非齐平式接近开关，当非齐平式安装时，传感器高于安装支架，容易损坏。全密封防水型，长距离型(大范围)，电容式接近开关的规格，电容式接近开关在液位测量控制中的应用，电容式接近开关在液位测量控制中的演示，3.3电容式传感器的应用，电容式物位指示器的信号转换和控制电路，不同材料的非金属检测对象对电容式接近开关作用距离的影响，硅微机械加速度传感器的原理， 1加速测试单元2信号处理电路3衬底4底部多晶硅(下电极)5多晶硅悬臂梁6顶部多晶硅(上电极)，一块多晶硅可以通过微电子加工技术加工成多层结构。 在硅衬底上，制造三个多晶硅电极以形成差分电容器C1和C2。在图中，底部多晶硅和顶部多晶硅是固定的。中间层多晶硅是一个可以上下轻微移动的振动板。它的左端固定在基板上，所以它相当于一个悬臂梁。当感觉上下振动时，C1和C2会有不同的变化。与加速度测试单元封装在同一外壳中的信号处理电路将C转换成DC输出电压