自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用-第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用 ppt課件

1、本章學(xué)習(xí)電容式傳感器本章學(xué)習(xí)電容式傳感器的任務(wù)原理、丈量轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)原理、丈量轉(zhuǎn)換電路及其運(yùn)用。及其運(yùn)用。 定義：將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量定義：將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。變化的傳感器。 運(yùn)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕運(yùn)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕度。度。4.1 4.1 電容式傳感器的任務(wù)原理電容式傳感器的任務(wù)原理及構(gòu)造方式及構(gòu)造方式 A極板相對(duì)覆蓋面；極板相對(duì)覆蓋面； d 極板間間隔；極板間間隔；r相對(duì)介電常數(shù)；相對(duì)介電常數(shù)；0真空介電常數(shù)；真空介電常數(shù)； 0 8.85410-12(F/m) 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 =0r S0

2、rAACdd 一、任務(wù)原理一、任務(wù)原理由物理學(xué)可知，由兩平行板組成的平行板電由物理學(xué)可知，由兩平行板組成的平行板電容器，假設(shè)不思索邊緣效應(yīng)，其電容量為：容器，假設(shè)不思索邊緣效應(yīng)，其電容量為：d dA 請(qǐng)思索：上式中，哪幾個(gè)參量是變請(qǐng)思索：上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？器？ 0 rAACdd 兩平行板組成的平行板電容器，電容傳感兩平行板組成的平行板電容器，電容傳感器的根本理想公式為：器的根本理想公式為： 改動(dòng)改動(dòng)A、d、 三個(gè)參量中的恣意一個(gè)量，三個(gè)參量中的恣意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量均可使平板電容的電容量C 改動(dòng)。改動(dòng)。 固定三

3、個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。型的電容傳感器。 0 rAACdd 圖圖a a是平板形直線位移式構(gòu)造，其中極板是平板形直線位移式構(gòu)造，其中極板1 1可以左右挪動(dòng)，可以左右挪動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板稱為動(dòng)極板。極板2 2固定不動(dòng)，稱為定極板。固定不動(dòng)，稱為定極板。圖圖b b是一個(gè)角位移式的構(gòu)造。極板是一個(gè)角位移式的構(gòu)造。極板1 1的軸由被測物體帶動(dòng)而的軸由被測物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移 度時(shí)，兩極板的遮蓋面積度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A A就減小，因就減小，因此電容量也隨之減小。此電容量也隨之減小。圖圖c c是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒

4、不動(dòng)，內(nèi)圓筒在是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。可見，添加極板寬度b，減小兩板間距d都可以提高傳感器的靈敏度。但d太小時(shí)，容易引起短路。此傳感器的靈敏度此傳感器的靈敏度K K可用下式求得可用下式求得dbddCKxx對(duì)于圖對(duì)于圖a a平板形位移電容傳感器，當(dāng)動(dòng)極板挪動(dòng)平板形位移電容傳感器，當(dāng)動(dòng)極板挪動(dòng)x x后：后：axCdxabCx1)(0C0C0初始電容值初始電容值靈敏度為常數(shù)靈敏度為常數(shù)線性關(guān)系線性關(guān)系 變面積式電容傳感器的輸出特性是線性變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于的，靈敏度是常數(shù)。這

5、一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。 他能否畫出變面積式電容傳感器的輸出特他能否畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線性曲線? 當(dāng)動(dòng)極板受被測物體作用引起位移時(shí)，改動(dòng)了兩當(dāng)動(dòng)極板受被測物體作用引起位移時(shí)，改動(dòng)了兩極板之間的間隔極板之間的間隔d d，從而使電容量發(fā)生變化。，從而使電容量發(fā)生變化。 2 2、變極距、變極距d d式電容傳感器式電容傳感器構(gòu)造表示圖構(gòu)造表示圖極板極板1 1為定極板為定極板極板極板2 2為動(dòng)極板為動(dòng)極板電容量電容量CxCx與與d d不是不是線性關(guān)系，其靈敏線性關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)。度也不是常數(shù)。 從圖中可以看到，為了提高靈

6、敏度，應(yīng)使當(dāng)從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0d0小些還小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d0d0較小時(shí)，較小時(shí)，它的丈量范圍變大還是變??？它的丈量范圍變大還是變??？0 rAACd d 由電容的表達(dá)式：由電容的表達(dá)式： 當(dāng)d0較小時(shí)，該種類型的傳感器靈敏度較高，微小的位移即可產(chǎn)生較大的電容變化量。 實(shí)踐運(yùn)用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺陷。 故該類傳感器只適用于微米數(shù)量級(jí)的位移丈量。結(jié)論：結(jié)論： 由于各種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極由于各種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電

7、容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 根據(jù)上表，分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)根據(jù)上表，分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。電容器的影響。請(qǐng)問：在電容器兩極板間插入干的紙和潮請(qǐng)問：在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于丈量什么非電量？以用于丈量什么非電量？根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測液面高度。根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測液面高度。以下圖為電容液位計(jì)，同以下圖為電容液位計(jì)，同心圓柱狀極板，插入液體心圓柱狀極板，插入液體深

8、度深度h h，兩極板間構(gòu)成電，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器。容式傳感器。12ccc0 rAACd d 根據(jù)：根據(jù)：輸出電容輸出電容C C與液面高度與液面高度h h成線性關(guān)系成線性關(guān)系 。 當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，因此電容量增大。反之當(dāng)液位下降，加大，因此電容量增大。反之當(dāng)液位下降，值值減小，電容量也減小。減小，電容量也減小。 所以，可經(jīng)過兩電極間的電容量的變化來丈量所以，可經(jīng)過兩電極間的電容量的變化來丈量液位的高低。電容液位計(jì)的靈敏度主要取決于兩液位的高低。電容液位計(jì)的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值。種介電常數(shù)的差值。 在實(shí)踐運(yùn)用中

9、，為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，經(jīng)常把傳感器做成差動(dòng)方式。變極距式差變極距式差動(dòng)電容器動(dòng)電容器 旋轉(zhuǎn)形差旋轉(zhuǎn)形差動(dòng)電容器動(dòng)電容器 圓柱形差圓柱形差動(dòng)電容器動(dòng)電容器 如圖如圖a)，中間的極板為動(dòng)極板，上下兩塊，中間的極板為動(dòng)極板，上下兩塊為定極板。為定極板。 當(dāng)動(dòng)極板向上挪動(dòng)當(dāng)動(dòng)極板向上挪動(dòng)x x間隔后，一邊的間隙間隔后，一邊的間隙變?yōu)樽優(yōu)閐 -xd -x，而另一邊那么為，而另一邊那么為d +xd +x。電容。電容C1C1和和C2C2成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量添加成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量添加，而另一個(gè)電容量那么相應(yīng)減小。將，而另一個(gè)電容量那么相應(yīng)減小。將C1C1、C2C2接成差動(dòng)方式

10、后，能使靈敏度提高一倍接成差動(dòng)方式后，能使靈敏度提高一倍。請(qǐng)思索：我們?cè)?jīng)學(xué)習(xí)了哪些差動(dòng)方式？請(qǐng)思索：我們?cè)?jīng)學(xué)習(xí)了哪些差動(dòng)方式？ 轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號(hào)。 電容轉(zhuǎn)換電路有電橋電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算電容轉(zhuǎn)換電路有電橋電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙放大器式電路、二極管雙T型交流電橋等。型交流電橋等。被測非電量被測非電量電容變化電容變化電量電量電容式電容式傳感器傳感器轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂( (另一臂為固定電容另一臂為固定電容) )或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以

11、是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)二次線圈。二次線圈。、單臂接法的橋式丈量電路圖、單臂接法的橋式丈量電路圖a a 電容電容C1C1、C2C2、C3C3、CxCx構(gòu)成電橋的四臂，構(gòu)成電橋的四臂，CXCX為電容傳感器為電容傳感器, ,交流電橋平衡時(shí)有：交流電橋平衡時(shí)有：C1C1C2C2CxCxC3C3此時(shí)，此時(shí)， U0 U0當(dāng)當(dāng)CxCx改動(dòng)時(shí)，改動(dòng)時(shí)，U00U00，有輸出電壓。，有輸出電壓。 在圖在圖b)的電路中，接有差動(dòng)電容傳感器，其空載的電路中，接有差動(dòng)電容傳感器，其空載輸出電壓為：輸出電壓為： UCCUCCCCCCCCUCCCCUxxxx000

12、0021210由于電橋輸出的電壓與電源電壓成比例，因由于電橋輸出的電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓動(dòng)搖極小，需求采用穩(wěn)幅、穩(wěn)此要求電源電壓動(dòng)搖極小，需求采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。頻等措施。 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器任務(wù)時(shí)，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 當(dāng)被丈量變化使傳感器電容改動(dòng)時(shí)，振蕩器當(dāng)被丈量變化使傳感器電容改動(dòng)時(shí)，振蕩器的振蕩頻率隨之改動(dòng)，的振蕩頻率隨之改動(dòng)， 即振蕩器頻率受傳感器電容所調(diào)制。即振蕩器頻率受傳感器電容所調(diào)制。 調(diào)頻電路的靈敏度高，抗干擾才干強(qiáng)。調(diào)頻電路的靈敏度高，抗干擾才干強(qiáng)。LCf21調(diào)頻振蕩器的頻率

13、為：調(diào)頻振蕩器的頻率為： 振蕩回路的電感振蕩回路的電感振蕩回路總電容振蕩回路總電容請(qǐng)思索：請(qǐng)思索：電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器的調(diào)頻電路有何區(qū)別？傳感器的調(diào)頻電路有何區(qū)別？式中哪些量是變量？式中哪些量是變量？ 將電容器接入開環(huán)放大倍數(shù)為的運(yùn)算放大電路中，作為電路的反響組件。 圖中U是交流電源電壓，C是固定電容，Cx是傳感器電容，Uo是輸出信號(hào)電壓。 傳感器傳感器電容電容UCCUCjCjUxxO11OUCUdA 由理想放大器的任務(wù)原理可得：由理想放大器的任務(wù)原理可得：結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線

14、性。最大特點(diǎn)：能抑制變極距型電容傳感器的非線性。最大特點(diǎn)：能抑制變極距型電容傳感器的非線性。四、二極管四、二極管T T型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)當(dāng)電源處于正半周時(shí)當(dāng)電源處于正半周時(shí): :VD2VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD1VD1截止，截止，電容電容ClCl經(jīng)經(jīng)VD2VD2迅速充電迅速充電至電壓至電壓E E，電源經(jīng)，電源經(jīng)R1R1向向負(fù)載電阻負(fù)載電阻RLRL供電，與供電，與此同時(shí)，電容此同時(shí)，電容C2C2經(jīng)經(jīng)R2R2和和RLRL放電，流經(jīng)放電，流經(jīng)RLRL的的電流電流 為這兩電流為這兩電流之和。之和。Li 這種雙這種雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)是脈沖式丈量電路的一種方式，型充放電網(wǎng)絡(luò)是脈沖式丈量電路的一種方式，其根本原理是利用

15、電容的充放電。其根本原理是利用電容的充放電。假設(shè)二極管假設(shè)二極管VD1和和VD2具有一樣的特性，具有一樣的特性，且且C1C2，R1R2，那么兩電流大小相，那么兩電流大小相等，方向相反，即流過等，方向相反，即流過RL的平均電流為零。的平均電流為零。那么那么C1、C2的任何變化都將使的任何變化都將使RL上有上有電流輸出。電流輸出。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單，順應(yīng)性強(qiáng)，能在惡劣的環(huán)境條件下構(gòu)造簡單，順應(yīng)性強(qiáng)，能在惡劣的環(huán)境條件下任務(wù)；任務(wù)；本身發(fā)熱影響小，溫度穩(wěn)定性好；本身發(fā)熱影響小，溫度穩(wěn)定性好；需求的作用能量??；處理輸入能量低的信號(hào)的需求的作用能量小；處理輸入能量低的信號(hào)的丈量。丈量?？色@得較大的相對(duì)

16、變化量；可獲得較大的相對(duì)變化量；動(dòng)態(tài)呼應(yīng)快；可用于丈量高速變化的參數(shù)。動(dòng)態(tài)呼應(yīng)快；可用于丈量高速變化的參數(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)非接觸丈量，具有平均效應(yīng)。可實(shí)現(xiàn)非接觸丈量，具有平均效應(yīng)。缺陷：缺陷：輸入阻抗高，負(fù)載才干差；輸入阻抗高，負(fù)載才干差；輸出特性非線性；輸出特性非線性；寄生電容的影響。寄生電容的影響。電容器的容量受三個(gè)要素影響，電容器的容量受三個(gè)要素影響， 即：極距即：極距x、相對(duì)面積、相對(duì)面積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。 固定其中兩個(gè)變固定其中兩個(gè)變 量，電容量量，電容量C 就是另一個(gè)變量的就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。一元函數(shù)。 只需想方法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、只需想方法將被測非電

17、量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以經(jīng)過丈量電容量這個(gè)電介電常數(shù)的變化，就可以經(jīng)過丈量電容量這個(gè)電參數(shù)來到達(dá)非電量電測的目的。參數(shù)來到達(dá)非電量電測的目的。 1 1電容式應(yīng)變計(jì)電容式應(yīng)變計(jì) 在被丈量的固定點(diǎn)上，在被丈量的固定點(diǎn)上，裝兩個(gè)薄而低的拱弧，裝兩個(gè)薄而低的拱弧，方形電極固定在弧的中方形電極固定在弧的中央，兩個(gè)拱弧的曲率略央，兩個(gè)拱弧的曲率略有差別。有差別。當(dāng)兩固定點(diǎn)受壓時(shí)變換當(dāng)兩固定點(diǎn)受壓時(shí)變換電容值將減小極間距電容值將減小極間距增大。增大。 2 2電容測厚儀電容測厚儀 假設(shè)總電容量C作為交流電橋的一個(gè)臂，電容的變化將引起電橋的不平衡輸出，經(jīng)過放大、檢波、濾波，最后在儀表上顯示出

18、帶材的厚度。把兩塊極板用導(dǎo)把兩塊極板用導(dǎo)線連起來就成為線連起來就成為一個(gè)極板，而帶一個(gè)極板，而帶材那么是電容器材那么是電容器的另一極板，其的另一極板，其總電容總電容C CC1+C2C1+C23 3電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器 當(dāng)鋼塊端面接受分量當(dāng)鋼塊端面接受分量F F時(shí)，圓孔將產(chǎn)生形變，從而使每個(gè)時(shí)，圓孔將產(chǎn)生形變，從而使每個(gè)電容器的極板間距變小，電容量增大。電容量的增值正比電容器的極板間距變小，電容量增大。電容量的增值正比于被測載荷于被測載荷F F。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度改動(dòng)時(shí)，高分子薄膜經(jīng)過網(wǎng)狀下電極當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度改動(dòng)時(shí)，高分子薄膜經(jīng)過網(wǎng)狀下電極吸收或放出水分，使高分子薄膜的介電常數(shù)發(fā)生變化，吸收或放出水分，使高分子薄膜的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量變化從而導(dǎo)致電容量變