第三章傳感器課件

1、第 3 章電容式傳感器第3章電容式傳感器3.1電容式傳感器的工作原理及特性電容式傳感器的工作原理及特性3.2電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路3.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用本章小結(jié)本章小結(jié)習(xí)題習(xí)題實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)、 實(shí)訓(xùn)建議實(shí)訓(xùn)建議第 3 章電容式傳感器3.1 電容式傳感器的工作原理及特性電容式傳感器的工作原理及特性 由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為0rAACdd （3-1）式中，A為兩平行板覆蓋的面積； 為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； 0為真空介電常數(shù)（0=8.8541012 F/m）; r為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；d為兩平行板間

2、的距離。 第 3 章電容式傳感器當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式（3-1）中的A、 d或發(fā)生變化時(shí)， 電容量C也隨之變化。 如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變， 而僅改變其中一個(gè)參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化， 通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。 因此， 電容式傳感器可分為變極距型、 變面積型和變介電常數(shù)型三種。 電容式傳感器的電極形狀又有平板形、 圓柱形和球面形(較少采用)三種。 圖3-1所示為常用電容器的結(jié)構(gòu)形式， 其中， 圖(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)為變面積型， 圖(a)和(e)為變極距型， 而圖(i)(l)則為變介電常數(shù)型。 第 3 章電容式傳感器圖3-1 電容式傳感

3、元件的各種結(jié)構(gòu)形式(a)、 (e) 變極距型； (b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)、 (h) 變面積型； (i)(l) 變介電常數(shù)型第 3 章電容式傳感器3.1.1 變極距型電容式傳感器變極距型電容式傳感器圖3-2為變極距型電容式傳感器的原理圖。 當(dāng)傳感器的和A為常數(shù)， 初始極距為d0時(shí)， 由式（3-1）可知其初始電容量為 00dAC（3-2）電容C和極距d的關(guān)系如圖3-3所示。 第 3 章電容式傳感器圖3-2 變極距型電容式傳感器的原理第 3 章電容式傳感器圖3-3 電容量和極板間距的非線性關(guān)系第 3 章電容式傳感器測(cè)量時(shí)， 一般將平板電容的一個(gè)極板固定（稱(chēng)為定極板）， 另一個(gè)極

4、板與被測(cè)物相連（稱(chēng)為動(dòng)極板）。 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d， 則電容量增大C， 有dddCddddAdAddAC000000（3-3）電容的相對(duì)變化量為00001dddddddCC（3-4） 第 3 章電容式傳感器當(dāng)dd0時(shí)， 式（3-4）可以展開(kāi)為級(jí)數(shù)形式， 即30200001ddddddddCC（3-5）忽略式（3-5）中的高次項(xiàng)， 得00ddCC（3-）第 3 章電容式傳感器由式（3-4）可知， 電容的相對(duì)變化量CC0與輸入位移d之間的關(guān)系是非線性的， 只有當(dāng)dd0時(shí)， 才可認(rèn)為是近似的線性關(guān)系。 所以變極距型電容式傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮滿(mǎn)足dd0的條件， 且一般d只能在極小的

5、范圍內(nèi)變化。 此時(shí)， 電容式傳感器的靈敏度為0200CCAkddd（3-7）第 3 章電容式傳感器非線性誤差為%1000dd（3-8） 由上式可見(jiàn)， d0越小， 靈敏度越高， 非線性誤差越大； 但是當(dāng)d0過(guò)小時(shí)， 容易引起電容擊穿。 為此， 極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì)， 如圖 3-4 所示。第 3 章電容式傳感器圖3-4 放置云母片的電容器第 3 章電容式傳感器此時(shí)實(shí)際上相當(dāng)于云母和空氣介質(zhì)兩個(gè)電容器的串聯(lián)（dg為云母的厚度）。 云母片的相對(duì)介電常數(shù)（g）是空氣(0)的7倍， 其擊穿電壓不小于1000 kV/mm， 而空氣僅為3 kV/mm。 因此有了云母片， 極板

6、間起始距離可大大減小。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100 pF之間， 極板間距離在25200 m的范圍內(nèi)， 最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。第 3 章電容式傳感器3.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 圖3-5（a）是變面積型電容傳感器測(cè)直線位移結(jié)構(gòu)示意圖。 被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積A改變， 從而得到電容量的變化。 當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí)， 則電容變化量為dxbC（3-9）第 3 章電容式傳感器由式（3-9）可知， 電容的變化量和位移的變化量成線性關(guān)系。 圖3-5（b）是電容式角位移傳感器原理圖。 當(dāng)動(dòng)

7、極板有一個(gè)角位移時(shí)， 與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變， 從而改變了兩極板間的電容量。 第 3 章電容式傳感器圖3-5 變面積型電容傳感器的結(jié)構(gòu)（a） 直線位移式； （b） 角位移第 3 章電容式傳感器當(dāng)=0時(shí)， 則 2012ACrdd當(dāng)0時(shí)， 則221rdC （3-10）從式（3-10）可以看出， 傳感器的電容量C與角位移成線性關(guān)系。 第 3 章電容式傳感器3.1.3 變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器根據(jù)前面的分析可知， 介質(zhì)的介電常數(shù)將影響電容式傳感器的電容量大小， 不同介質(zhì)的介電常數(shù)各不相同。 在106 Hz頻率下， 一些典型介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)如表3-1所示。 表3-1

8、 典型介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)第 3 章電容式傳感器圖3-6是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。 設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1， 液面高度為h， 變換器總高度為H， 內(nèi)筒外徑為d， 外筒內(nèi)徑為D，此時(shí)相當(dāng)于兩個(gè)電容器的并聯(lián)。 此時(shí)變換器電容值為012lnHhCDd（3-11）第 3 章電容式傳感器0 122lnhCDd （3-12）21CCC（3-13）由式（3-11）式（3-13）得01021lnhCCCDd（3-14）第 3 章電容式傳感器圖3-6 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖第 3 章電容式傳感器3.1.4 差動(dòng)電容式傳感器差動(dòng)電容式傳感器根據(jù)前面的分析可知， 變面積型電容

9、式傳感器和變介電常數(shù)型傳感器的輸入量與輸出的電容量間的關(guān)系均為線性， 只有變極距型電容式傳感器的輸入量與輸出量間存在非線性關(guān)系。 在實(shí)際應(yīng)用中， 為了提高靈敏度和減小非線性誤差， 通常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)， 如圖3-7所示。 第 3 章電容式傳感器圖3-7 差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖第 3 章電容式傳感器當(dāng)中間的動(dòng)極板向上移動(dòng)d時(shí)， 有00111ddCC（3-15）00211ddCC（3-16）第 3 章電容式傳感器當(dāng)dp2時(shí)負(fù)載電阻RL上的電壓Uo的大小和方向（正負(fù)）。 第 3 章電容式傳感器圖3-24 電容式差壓傳感器與二極管雙T型電路圖3-24 電容式差壓傳感器與二極管雙T型電路第 3 章電容式

10、傳感器五、 設(shè)計(jì)題 糧食部門(mén)在收購(gòu)、 存儲(chǔ)谷物、 菜籽等時(shí)， 需測(cè)定這些糧食、 種子的干燥程度，以防霉變。 請(qǐng)根據(jù)已學(xué)過(guò)的知識(shí)設(shè)計(jì)一臺(tái)糧食含水量測(cè)試儀， 要求： (1) 顯示在標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量(100 g)條件下糧食的含水量(一般在1020之間)。 (2) 能進(jìn)行糧食品種的選擇(能輸入不同的糾正系數(shù))。 第 3 章電容式傳感器(3) 糧食易于倒入及倒出。 (4) 外殼對(duì)操作者有靜電屏蔽作用(可減少手的影響)， 引線從下方中心接出， 并考慮與周邊接地外殼絕緣。 (5) 畫(huà)出傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、 信號(hào)處理框圖并說(shuō)明其工作原理及優(yōu)、 缺點(diǎn)。 第 3 章電容式傳感器實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)、 實(shí)訓(xùn)建議實(shí)訓(xùn)建議實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解電

11、容式傳感器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)原理： 利用電容CAd和其他結(jié)構(gòu)的關(guān)系式， 通過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路可以選擇、 A、 d三個(gè)參數(shù)， 保持兩個(gè)參數(shù)不變， 而只改變其中一個(gè)參數(shù)， 則可以得到測(cè)谷物干燥度（變）、 測(cè)位移（d變）和測(cè)量液位（A變）等多種電容傳感器。 第 3 章電容式傳感器驗(yàn)采用的傳感器為圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器： 它是由兩個(gè)圓筒和一個(gè)圓柱組成的。 如圖3-25(a)所示， 設(shè)圓筒的半徑為R； 圓柱的半徑為r； 圓柱的長(zhǎng)為x， 則電容量為C=2x/ln(Rr)。 圖3-25(b)中C1、C2是差動(dòng)連接， 當(dāng)圖中的圓柱產(chǎn)生X位移時(shí)， 電容量的變化量為C=C1C2=22X/l

12、n(Rr)， 式中2、 ln(Rr)為常數(shù)， 說(shuō)明C與位移X成正比， 配上配套測(cè)量電路就能測(cè)量位移。第 3 章電容式傳感器圖3-25 圓筒式變面積差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容式位移傳感器(a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 原理圖第 3 章電容式傳感器實(shí)驗(yàn)器件： 主機(jī)箱、 電容傳感器、 電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?測(cè)微頭。實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 按圖3-26將電容傳感器裝于電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳希?并按圖示意接線(實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓妮敵鯱o1接主機(jī)箱電壓表的Uin)。(2) 將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系腞w調(diào)節(jié)到中間位置(方法： 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底再順時(shí)旋轉(zhuǎn)圈)。第 3 章電容式傳感器(3) 將主機(jī)箱上的電壓表量程(顯示選擇)開(kāi)關(guān)打到2 V擋， 合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)， 旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭改變電容傳感器的動(dòng)極板位置使電壓表顯示為0 V ， 再轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭(同一個(gè)方向)5圈， 記錄此時(shí)的測(cè)微頭讀數(shù)和電壓表顯示值為