传感器电容式.ppt

1、2020/10/9,1,第四章 电容式传感器,本章学习电容式传感器的工作原理、测量转换电路及其应用。,2020/10/9,2,电容式传感器,定义：将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。 应用：位移、加速度、液位、振动及湿度。,2020/10/9,3,第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式,2020/10/9,4,A极板相对覆盖面; d 极板间距离； r相对介电常数； 0真空介电常数； 0 8.85410-12(F/m) 电容极板间介质的介电常数。=0r,一、工作原理 由物理学可知，又两平行板组成的平行板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：,d,A,2020/10/9,5,请思考：上

2、式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？,由物理学可知，又两平行板组成的平行板电容器，电容传感器的基本理想公式为：,2020/10/9,6,改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。,由物理学可知，又两平行板组成的平行板电容器，电容传感器的基本理想公式为:,2020/10/9,7,1、变面积（A）式电容传感器,图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。 图b是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减

3、小，因而电容量也随之减小。 图c是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。,2020/10/9,8,可见，增加极板长度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。,此传感器的灵敏度K可用下式求得,对于图a平板形位移电容传感器，当动极板移动x后：,C0初始电容值,灵敏度为常数,线性关系,2020/10/9,9,变面积式电容传感器的特性,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。 你能否画出变面积式电容传感器的输出特性曲线?,2020/10/9,10,电容器在非电量电测中作为测量

4、 位移的传感器来使用；在电子仪 表中作为元器件来使用。 大家都用过收音机。当你搜寻电台时有没有想过，收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？,2020/10/9,11,如果打开收音机的后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的是一个旋转式可变电容器。 当你顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电容量C也就越来越小，谐振频率也随之改变,从而可以从550kHz逐渐增加到1650kHz，就可以从一个电台转换到另一个电台。,2020/10/9,12,2、变极距（d）式电容传感器,C与d的关系:为一双曲线,电容量Cx与d不是线性关系，其灵敏度也不是常数。,当动极板受

5、被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。,从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？,2020/10/9,13,当d0较小时，该种类型的传感器灵敏度较高，微小的位移即可产生较大的电容变化量。 实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。 故该类传感器只适用于微米数量级的位移测量。,结论：,2020/10/9,14,3、变介电常数（）式电容传感器,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也

6、就不同。,几种介质的相对介电常数,2020/10/9,15,根据上表，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。 请问：在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？,2020/10/9,16,根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度,下图为电容液位计，同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器（并联）,液体介质电容,气体介质电容,2020/10/9,17,输出电容C与液面高度h成线性关系,其灵敏度为：,2020/10/9,18,4、差动电容传感器,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。,变极距式差动电容

7、器,旋转形差电容器,圆柱形差动电容器,2020/10/9,19,如图a)，中间的极板为动极板，上下两块为定极板。,当动极板向上移动x距离后，一边的间隙变为d -x，而另一边则为d +x。电容C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增加，而另一个电容量则相应减小。将C1、C2接成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。,请思考：我们已经学习了哪些差动形式？,2020/10/9,20,休息一下,2020/10/9,21,第二节 电容式传感器的测量转换电路,2020/10/9,22,电容式传感器把被测物理量转换为电容变化后,将电容量转换成电量的电路称作电容式传感器的转换电路。,转换电路实现将微小的电容变化转换

8、为电压、电流或频率等信号。,电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥。,2020/10/9,23,一、 电桥电路,将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。,2020/10/9,24,、单臂接法的桥式测量电路（图a）,电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，CX为电容传感器, 交流电桥平衡时有： C1C2Cx C3 此时， U0 当Cx改变时，U00，有输出电压。,2020/10/9,25,、差动接法的桥式测量电路（图b）,在图b)的电路中，接有差动电容传感器，其空载

9、输出电压为：,由于电桥输出的电压与电源成比例，因此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。,2020/10/9,26,二、调频电路,将电容传感器接入高频振荡器的LC谐振回路中，作为回路的一部分。,2020/10/9,27,当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容所调制。,调频振荡器的频率为：,振荡回路的电感 振荡回路总电容,2020/10/9,28,请思考：电容式传感器的调频电路与电涡流传感器有何区别？ 式中哪些量是变量？,2020/10/9,29,将电容器接入开环放大倍数为的运算放大电路中，作为电路的反馈组件。,三、运算放大器式电路,图中U是

10、交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压。,2020/10/9,30,由理想放大器的工作原理可得：,结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。 最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性。,2020/10/9,31,四、二极管T型网络,当电源处于正半周时: VD2导通，VD1截止，电容Cl经VD2迅速充电至电压E，电源经R1向负载电阻RL供电，与此同时，电容C2经R2和RL放电，流经RL的电流iL为这两电流之和。,这种双T形充放电网络是脉冲式测量电路的一种形式，其基本原理是利用电容的充放电。,2020/10/9,32,如果二极管VD1和VD具有相同的特性，且，则两

11、电流大小相等，方向相反，即流过的平均电流为零。 那么、的任何变化都将使上有电流输出。,2020/10/9,33,休息一下,2020/10/9,34,第三节 电容式传感器的应用,2020/10/9,35,一、电容传感器的优缺点及应用范围,优点： 结构简单，适应性强，能在恶劣的环境条件下工作； 本身发热影响小，温度稳定性好； 需要的作用能量小； 可获得较大的相对变化量； 动态稳定性好； 可实现非接触测量，具有平均效应。 缺点： 输入阻抗高，负载能力差； 输出特性非线性； 寄生电容的影响。,2020/10/9,36,二、应用实例,电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A 和极间介电常数 。

12、固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。,2020/10/9,37,1电容式应变计,在被测量的两个固定点上，装两个薄而低的拱弧，方形电极固定在弧的中央，两个拱弧的曲率略有差别当两固定点受压时变换电容值将减小（极间距增大）,2020/10/9,38,2电容测厚仪,如果总电容量C作为交流电桥的一个臂，电容的变化将引起电桥的不平衡输出，经过放大、检波、滤波，最后在仪表上显示出带材的厚度,把两块极板用导线连起来就成为一个极板，而带材则是电容器的另一极板，其总电容CC1+C2,

13、2020/10/9,39,差动式电容测厚传感器,传感器上下两个极板与金属板上下表面间构成电容传感器。,2020/10/9,40,3电容式荷重传感器,当钢块端面承受重量F时，圆孔将产生形变，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容量的增值正比于被测载荷F 。,2020/10/9,41,4湿度传感器,当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量变化 。,2020/10/9,42,5、电容式加速度传感器 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上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，此电容增量正比于被测加速度。,2020/10/9,43,电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。 电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小； 但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。,2020/10/9,44,加速度传感器在汽