電容式傳感器(2)ppt課件

1、第5章 電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的任務(wù)原理和構(gòu)造電容式傳感器的任務(wù)原理和構(gòu)造5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性5.3 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路5.4 電容式傳感器的丈量電路電容式傳感器的丈量電路5.5 電容式傳感器的運(yùn)用電容式傳感器的運(yùn)用 第5章 電容式傳感器 5.1 電容式傳感器的任務(wù)原理和構(gòu)造電容式傳感器的任務(wù)原理和構(gòu)造 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，假設(shè)不思索邊緣效應(yīng)，其電容量為 dSC5-1 式中: 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，其中0為真空介電常數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)； S

2、兩平行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的間隔。 第5章 電容式傳感器 當(dāng)被測參數(shù)變化使得式5-1中的S、 d或發(fā)生變化時(shí)， 電容量C也隨之變化。假設(shè)堅(jiān)持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改動其中一個(gè)參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，經(jīng)過丈量電路就可轉(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。圖5-1所示為常用電容器的構(gòu)造方式。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)那么為變介電常數(shù)型。 第5章 電容式傳感器 圖5-1 電容式傳感元件的各種構(gòu)造方式第5章 電容式傳感器 5.1.1 變極

3、距型電容傳感器變極距型電容傳感器 圖圖 5-2為變極距型電容式傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的為變極距型電容式傳感器的原理圖。當(dāng)傳感器的r和和S為常數(shù)，初始極距為為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，由式時(shí)，由式5-1可知其初始電容量可知其初始電容量C0為為 000dSCr5-2 假設(shè)電容器極板間間隔由初始值d0減少了d，電容量增大了C，那么有 200000000111 ddddCddCddSCCCr5-3 第5章 電容式傳感器 圖5-2 變極距型電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 圖5-3 電容量與極板間間隔的關(guān)系 第5章 電容式傳感器 在式5-3中，假設(shè)d/d01時(shí)，1-(d/d0)21，那么式 000dd

4、CCC5-4 此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只需在d/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。 另外，由式5- 4可以看出，在d0較小時(shí)，對于同樣的d變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的資料云母、 塑料膜等作介質(zhì), 如圖 5-4 所示，此時(shí)電容C變?yōu)?第5章 電容式傳感器 000ddSCgg5-5 式中：g云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 第5章 電容式傳感器 圖5-4 放置云母片的電容器第5章 電容式傳感器 云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍

5、，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，極板間起始間隔可大大減小。同時(shí)，式5-5中的dg/0g項(xiàng)是恒定值， 它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。 普通變極板間間隔電容式傳感器的起始電容在20100pF之間， 極板間間隔在25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移丈量中運(yùn)用最廣。 第5章 電容式傳感器 5.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 圖圖5-5是變面積型電容傳感器原理構(gòu)造表示圖。是變面積型電容傳感器原理構(gòu)造表示圖。 被丈量經(jīng)被丈量經(jīng)過動極板挪動引起兩極板有效覆蓋面積過動極板挪動引起兩極板有效覆蓋面積S改動

6、，從而得到電容改動，從而得到電容量的變化。當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移量的變化。當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移x時(shí)，那么時(shí)，那么電容變化量為電容變化量為 dbxaCCCr)(00(5-6) 式中C0=0r ba/d為初始電容。電容相對變化量為 axCC0(5-7) 很明顯，這種方式的傳感器其電容量C與程度位移x呈線性關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 圖5-5 變面積型電容傳感器原理圖 第5章 電容式傳感器 圖5-6 電容式角位移傳感器原理圖 第5章 電容式傳感器 圖5-6是電容式角位移傳感器原理圖。當(dāng)動極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改動，從而改動了兩極板間的電容量。當(dāng)

7、=0時(shí)，那么 0000dSCr(5-8) 式中： r介質(zhì)相對介電常數(shù)； d0兩極板間間隔； S0兩極板間初始覆蓋面積。 第5章 電容式傳感器 當(dāng)0時(shí)， 那么 000001CCdSCr5-9 從式5-9可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 5.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器 圖圖5-7是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于丈量液位高是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于丈量液位高低的構(gòu)造原理圖。設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為低的構(gòu)造原理圖。設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為，液面高度為h, 變換器總高度為變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑

8、為，外筒內(nèi)徑為D，此時(shí)變換器，此時(shí)變換器電容值為電容值為 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21210111式中：空氣介電常數(shù)； C0由變換器的根本尺寸決議的初始電容值, 即 dDnHC120(5-10) 第5章 電容式傳感器 由式5-10可見，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。 變介質(zhì)型電容傳感器有較多的構(gòu)造方式，可以用來丈量紙張、絕緣薄膜等的厚度， 也可用來丈量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。圖5-8是一種常用的構(gòu)造方式。 圖中兩平行電極固定不動，極距為d0，相對介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改動兩種介質(zhì)的極板覆

9、蓋面積。 傳感器總電容量C為 02010021)(dLLLbCCCrr(5-11) 第5章 電容式傳感器 02000) 1(LLCCCCCr式中：L0和b0極板的長度和寬度； L第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度。 假 設(shè) 電 介 質(zhì) r 1 = 1 , 當(dāng) L = 0 時(shí) ， 傳 感 器 初 始 電 容C0=0rL0b0/d0。 當(dāng)被測介質(zhì)r2進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對變化量為 (5-12) 可見，電容量的變化與電介質(zhì)r2的挪動量L成線性關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 圖5-7 電容式液位變換器構(gòu)造原理圖 第5章 電容式傳感器 圖5-8 變介質(zhì)型電容式傳感器 第5章 電容式傳感器 表表5-1 電

10、介質(zhì)資料的相對介電常數(shù)電介質(zhì)資料的相對介電常數(shù) 第5章 電容式傳感器 5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性由式5-4可知， 電容的相對變化量為 0011ddCC(5-13) 當(dāng)|d/d0|1時(shí)，上式可按級數(shù)展開，可得 30200001ddddddddCC(5-14) 第5章 電容式傳感器 由式5-14可見，輸出電容的相對變化量C/C0與輸入位移d之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|d/d0|1時(shí)可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系， 如下式所示： 00ddCC(5-15) 電容傳感器的靈敏度為 001/ddCCK(5-16) 它闡明了單位輸入位移所引起的輸出電容相對變化的大小與d0呈

11、反比關(guān)系。 第5章 電容式傳感器 假設(shè)思索式5-14中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)， 那么 0001ddddCC(5-17) 由此可得出傳感器的相對非線性誤差為 %100%100|/|)/(0020dddddd(5-18) 由式5-16與式5-18可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。 第5章 電容式傳感器 在實(shí)踐運(yùn)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式構(gòu)造。圖5-9是變極距型差動平板式電容傳感器構(gòu)造表示圖。 在差動式平板電容器中，當(dāng)動極板位移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d, 那么 002001/11/11d

12、dCCddCC(5-19) (5-20) 第5章 電容式傳感器 圖5-9 差動平板式電容傳感器構(gòu)造圖 第5章 電容式傳感器 在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 那么有 10UddUo5-43 第5章 電容式傳感器 同樣， 在變面積電容傳感器中， 那么有 1USSUo5-44 由此可見，差動脈寬調(diào)制電路適用于變極板間隔以及變面積差動式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。 第5章 電容式傳感器 5.5 電容式傳感器的運(yùn)用電容式傳感器的運(yùn)用 5.5.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 圖5-17 差動式電

13、容壓力傳感器構(gòu)造圖 外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過濾器第5章 電容式傳感器 圖5-17為差動電容式壓力傳感器的構(gòu)造圖。 圖中所示膜片為動電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動電容器。 當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)， 所構(gòu)成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大， 一個(gè)減小。 該電容值的變化經(jīng)丈量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。 第5章 電容式傳感器 5.5.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖5-18 差動式電容加速度傳感器構(gòu)造圖 621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質(zhì)量塊；4彈簧；5輸出端；6殼體第5章 電容式傳感器 當(dāng)傳感器殼

14、體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動時(shí)， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個(gè)固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)添加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)是頻率呼應(yīng)快和量程范圍大， 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。 第5章 電容式傳感器 5.5.3 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器 電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其任務(wù)原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，測，其任務(wù)原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等， 與帶材間隔相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器與帶材間隔相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線銜接起來成為一個(gè)極，。把兩塊極板用導(dǎo)線銜接起來成為一個(gè)極， 而帶材就而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1 + C2 ，假設(shè)帶材的厚度發(fā)，假設(shè)帶材的厚度發(fā)生變化，生變化， 將引起電容量的變化，將引起電容量的變化， 用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，來， 經(jīng)過放大即可由