传感器与传感器技术(河道清).ppt

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1、第4章 电容式传感器被测量C U（I）,第4章 电容式传感器,4.1 电容式传感器的工作原理和结构4.2 电容式传感器的静态特性4.3 电容式传感器的等效电路4.4 电容式传感器特点及设计要点4.5 电容式传感器的测量电路4.6 电容式传感器的应用,第4章 电容式传感器,电容器:,平板电容器,柱形电容器,4.1 电容式传感器的工作原理和结构,4.1.1 工作原理 平板电容器如图4-1所示其电容量：,图4-1 平板电容器,(4 1),d,S,(r)变化,C变化,U(I)变化,4.1.2 结构类型,变间隙（d）型,变面积（S）型,变介电常数（）型,4.1 电容式传感器的工作原理和结构,4.1.2

2、结构类型,4.1 电容式传感器的工作原理和结构,变间隙式,变间隙式,变面积式,变面积式,变面积式,变面积式,变介电常数式,变介电常数式,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,初始电容：,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,相对非线性误差：,静态灵敏度：,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,图4-4差动式电容器传感器的曲线,差动结构电容传感器结构特性曲线图：,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,当动极板位移为d时：,电容总的

3、变化为：,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,电容相对变化为：,灵敏度为：,相对非线性误差为：,灵敏度提高了一倍,非线性误差降低了,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,具有固体介质的变间隙式传感器结构如图所示：,其初始电容：,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,当d1,则C,CC,d1d，,电容值的相对变化为：,N1既是灵敏度因子，又是非线性因子；取决于d2/d1和r2,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.1 变间隙式电容传感器,为了消除边缘效应的影响，可以采用设置保护环的方法,4.2 电容式传感器的静态特

4、性,4.2.2 变面积式电容传感器,直线位移式电容传感器原理图,初始电容：,当动极板移动x,灵敏度：,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.2 变面积式电容传感器,本图也是变面积式电容传感器，是右图的变形,当极板的齿数为n时，移动x后,灵敏度为,可见其灵敏度为单极板的n倍。,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.2 变面积式电容传感器,当动片角位移 时，覆盖面积S就改变,当=0时：,当 0时：,灵敏度：,角位移式电容传感器,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.3 变介电常数式电容传感器,结构如图所示：,电容值：,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.3 变介电常数式电容传感器,灵敏度

5、因子，随间隙比d/(a-d)增大而增大；,非线性因子，随间隙比d/(a-d)增大而减小；,可作N2和N3与间隙比d/(a-d)的关系曲线,N2,N3,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.3 变介电常数式电容传感器,灵敏度和非线性因子，可作N4d/(a-d)曲线；,若保持 r 不变，可测介质厚度,4.2 电容式传感器的静态特性,4.2.3 变介电常数式电容传感器,若被测介质充满两极板间，则d=a，此时初始电容：,与 r 成线性关系。,此电容传感器可测量介质介电常数的变化。,4.3 电容式传感器的等效电路,实际电容传感器应考虑其损耗和电感效应，其等效电路如图所示,极板间漏电阻及介质损耗、低频损

6、耗,引线电阻、电容器支架和极板电阻,电容器本身电感和外部引线电感,x,x,4.4 电容式传感器特点及涉及要点,特点,温度稳定性好；结构简单，适应性强；动态响应好；可以实际非接触测量，并具有平均效应。,优点,输出阻抗高，负载能力差寄生电容影响大,缺点,4.4 电容式传感器特点及涉及要点,设计要点,减小环境温度，湿度等变化的影响保证绝缘材料的绝缘性能,增加原始电容值，减少泄漏电容的影响消除电缆电容的影响，驱动电缆法采用接地屏蔽法，克服不稳定的寄生电容的影响整体屏蔽法,消除和减小边缘效应和泄漏电容的影响,4.5 电容式传感器的测量电路,运算放大器的测量电路,运算放大器的测量电路原理图：,4.5 电容

7、式传感器的测量电路,电桥电路,平衡电桥（电阻平衡臂电桥）,平衡条件：,初始：d1d2d0，C1C2C0，z1z2z,平衡,工作时：中心电极移动d，使d1d0+d，d2d0-d，则C1C0-C，C2C0+C，平衡破坏。调z1和z2使电桥重新平衡，令此时z1z1,4.5 电容式传感器的测量电路,电桥电路,不平衡电桥（变压器电桥）,式中 C1,C2为差动电容传感器。C1C0CC2 C0C,原理图,4.5 电容式传感器的测量电路,二极管T形网络（双T电桥）,原理图,电容器的充放电原理：,其中：,4.5 电容式传感器的测量电路,4.5.3 二极管T形网络（双T电桥）,4.5 电容式传感器的测量电路,4.

8、5.3 二极管T形网络（双T电桥）,二极管T形网络电路特点：,e，C1，C2接地;工作电平高，D1，D2工作在线性区灵敏度与电源幅值和频率有关;输出电压高;输出阻抗与C1、C2无关，与R1，R2同数量级，可用mA或A表直接测量;RL影响电容放电速度，宜小些，RL1k时，上升时间20s，可测量动态信号.,利用电容器的充放电时间调制方波脉冲宽度,4.5 电容式传感器的测量电路,4.5.4 脉宽度调制电路,原理图,4.5 电容式传感器的测量电路,4.5.4 脉宽度调制电路,C1C2,C1C2且C1C2,4.5 电容式传感器的测量电路,4.5.4 脉宽度调制电路,对平板变间隙差动电容传感器,对差动变面

9、积式电容传感器,电路特点：,输出电压与被测位移（或面积变化）线性,不需解调电路，只需低通滤波电路便可测得较大直流电压,不需载波,调宽频率变化对输出无影响,4.5 电容式传感器的测量电路,4.5.5 调频电路,电路原理：电容传感器与电感元件构成调频振荡器,振荡频率：，,当，时,灵敏度高可测量0.01m位移抗干扰能力强能获得高电平直流信号或频率数字信号受温度影响大,电路特点：,4.6电容式传感器的应用,电容式压力传感器,单膜片电容式传感器结构图：,初始电容：,当均匀压力p作用于膜片电极时，膜片变形，当其凸起hd0时，其变形挠度：,4.6电容式传感器的应用,电容式压力传感器,选取微元膜片dS=2rd

10、r，其微电容：,灵敏度,谐振频率,4.6电容式传感器的应用,电容式压力传感器,如果考虑膜片厚度，则其挠度:,总电容,灵敏度,4.6电容式传感器的应用,4.6.2 电容式差压传感器,结构原理图,4.6电容式传感器的应用,电容式差压传感器,选微元：,4.6电容式传感器的应用,电容式差压传感器,选微元：,若将CL、CH接入差动电桥，其输出电压为,输出电压与差压p成正比,4.6电容式传感器的应用,电容式差压传感器,4.6电容式传感器的应用,电容式加速度传感器,质量块由弹簧支撑，在壳加速度作用下，质量块在两固定电极间振动，从而改变电容C1、C2值，如图：,4.6电容式传感器的应用,电容式应变仪,结构原理

11、如右图：,曲率不同的两拱弧薄板间安装两平板电容器，当拱弧的两固定点受压缩变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变，应变C,4.6电容式传感器的应用,电容式荷重传感器,结构原理如右图：,在弹性钢板内平行圆孔间设置平行板电容器，当钢板受压力变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变，主要用于重负载,4.6电容式传感器的应用,电容式振动、位移测量仪,结构原理如图：,被测工件有振动或位移，与固定电极金属板间距离改变，从而电容量改变。,4.6电容式传感器的应用,电容测厚仪：轧制金属厚度在线监测,结构原理如图：,4.6电容式传感器的应用,4.6.8 电容式物位计：液位检测,结构原理如图：,4.6电容式传感器的应用,4.6.8 电容式物位计：料位检测,结构原理如图：,式中，K比例系数，,第4章 电容式传感器,作业：4-1，4-2，4-7，4-8；4-3，4-4，4-5，4-6，4-14 选作：4-15,