《电容传感器》PPT课件.ppt

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1、第三章 电容式传感器,电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。,第一节 电容式传感器原理,1.变面积式 2.变间隙式 3.变介电常数式,一、变面积式电容传感器 电容：,第二节 电容式传感器的类型与特性,电容增量：,测量灵敏度：,提高灵敏度的途径？,增加b，或减小d,变面积式电容传感器的派生形式：,a）,b）,变面积电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线性关系！这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,变面积式电容传感器的特性,二、变间隙式电容传感器,显然，时，于是,定极板,动极板,只有 时，变间隙式电容传感器才是近似线性的

2、。而为了提高灵敏度，总是使初始极距d0尽量小些，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。并且d过小又容易引起击穿，加工精度要求也很高。实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。,变面积式电容传感器的特性,三、变介电常数式电容器：,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，电容器的电容量也就不同。,表3-1 几种介质的相对介电常数,相当于两电容并联：,其中：,取x=0时电容为C0，有,通过改变介质面积改变介电常数,电容与x的关系推导如下：,结论：电容与位移x之间呈线性关系。,当某种介质处于两极板间时，介质厚度 越厚，电容量也就越大。当介质厚度保持不变

3、、而相对介电常数r改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（r水1）时，电容量将变大。当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变化。因此，变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，含水量以及测量液体的液位等。,差动电容传感器结构示意图a）差动变极距式 b）差动变面积式1动极板 2定极板,从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差动电容传感器的好处：1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对

4、误差,补充：差动电容传感器,第三节 电容式传感器测量电路,一、普通交流电桥二、紧耦合电感臂电桥三、变压器电桥四、双T电桥五、运算放大器式测量电路六、脉冲调制电路七、调频电路,电桥式,一、普通交流电桥：要求提供幅值和频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗很高,电容变化,交流电压变化,初始电桥平衡,交流电压放大,检出直流电压,滤掉交流分量,直流电压输出,Zi,Z,接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。,二、紧耦合电感臂电桥：抗干扰能力强，稳定性高，适合高频 电源下工作,Z,ZL为电桥负载阻抗,三、变压器电桥：使用元件最少

5、，桥路内阻最小，因此目前较多采用。,差动式,如果变压器电桥的Z1、Z2采用两个变间隙电容（差动式），有,输出电压与位移呈线性关系解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题,四、双T电桥,双T电桥电路,正半周：C1充电，C2放电,差动式,负载,+,+,iC1,iC2,若将二极管理想化，则正半周时，二极管V1导通、V2截止，电容C1被以极短的时间充电至U，电容C2的电压初始值为 U，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL 的放电电流为i2，流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和。,负半周：C2充电，C1放电,在负半周时，二极管V2导通、V1截止，电容C2很快被充电至电

6、压U；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL 的放电电流为i2。流过RL的总电流iL为i1 和i2的代数和。,如果C1=C2，R1=R2=R，则正、负半周对称,如果C1或C2变化时，则正、负半周不再对称,或：,输出电压平均值：,双T电桥特点：电路有一个公共接地点；二极管工作于线性工作段；输出电压高；测量灵敏度与电源频率有关；可以用于动态测量。,五、运算放大器式测量电路,可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离d成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。,上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出

7、的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。,六、脉冲调制电路,原1,充电,原0,升压,变1,0,1,输出限幅,C1、C2为差动式传感器的两个电容；N1、N2是两个比较器，Ur为其参考电压。,当A端为高电平时，则通过R1对C1充电，直到M点电位等于参考电压Ur时，比较器N1产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，A端为低电平，B端为高电平，此时，V1导通，C1放电至零，同时B端通过R2对C2充电，当N点电位等于参考电压Ur时，比较器N2产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，A端变为高电平，C1充电，V2导通，C2放电，。这样周而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受C1和C2调制的脉冲方波,初始C1

8、=C2，M、N等间隔0、1翻转，输出平均电压为0。,如果C1、C2不等，M、N翻转将不再等间隔，输出平均电压会向正（或负）偏离：,可见：输出电压与电容变化成线性关系,对于差动式变极距型电容传感器：,对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为S，则滤波器输出为：,可见差动脉冲调制电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求,初始振荡频率：,电容改变C后的振荡频率：,七、调频电路：把电容式传感器与电感元件构成振荡器谐振电路。当电容量发生变化时，振荡频率发

9、生变化，通过鉴频电路将频率的变化转化振幅的变化，经放大器进行显示。,振荡电感,固定电容,传感器电容,电缆分布电容,振荡频率变化,电压变化,补充：电容式传感器的特点,1电容式传感器的优点（1）温度稳定性好 传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小)影响甚微。,（2）结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能

10、对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。,3动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。,4可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。,电容

11、式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。,2.电容式传感器的缺点(1)输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。,容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十M以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的

12、性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。,高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。,(2)寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。,(3)输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。

13、,第三节 电容式传感器的应用,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。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。,电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。,一、电容式位移传感器,差动式变面积型位移传感器,二、电容式压力传感器：变极距型,差动型,单只变极距型,三、电容式加速度传感器-差动式变极距型,固定电极,固定电极

14、,质量块m,质量块m,弹簧片,+C,-C,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊对驾驶员的保护作用,利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,四、电容式液位传感器,变介电常数型,变面积型,电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。,聚四氟乙烯外套,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变

15、送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源 指示灯,五、电容式荷重传感器,在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小（误差平均效应）,六、电容式测厚仪,带材,定极,U,电容耦合,直流电压输出,定极,