Ch34電容式傳感器第三版解析

1、Ch34電容式傳感器第三版解析本章主要內(nèi)容電容式傳感器的工作原理和主要性能電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器等效電路電容式傳感器測(cè)量電路電容式傳感器的應(yīng)用3.3.1 電容式傳感器的工作原理1. 工作原理及類型2. 變極距型電容式傳感器3. 變面積型電容傳感器4. 變介電常數(shù)型電容傳感器什么是電容器？電容器有兩個(gè)用介質(zhì)固體、液體或氣體或真空隔開(kāi)的電導(dǎo)體構(gòu)成。電容導(dǎo)體上的電荷導(dǎo)體之間的電壓差電容器式傳感器是一種將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器 ？1. 工作原理+A兩平行極板組成的電容器,它的電容量為: 當(dāng)被測(cè)量、A或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。假設(shè)保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另

2、一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。 ？電 容 式 傳 感 器極距變化型電容傳感器面積變化型電容傳感器介質(zhì)變化型電容傳感器圓筒形極板電容器,它的電容量為:2. 變極距型電容傳感器2. 變極距型電容傳感器假設(shè)極距縮小 非線性隨極板間距的減小而增大2. 變極距型電容傳感器進(jìn)步靈敏度應(yīng)減小間距電容器擊穿非線性誤差增大：在極板間放置云母片：采用差動(dòng)型靈敏度隨極板間距的減小而增大2. 變極距型電容傳感器差動(dòng)型2. 變極距型電容傳感器3. 變面積型電容傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)變面積型板狀線位移變面積型角位移變面積型筒狀線位移變面積型結(jié)構(gòu)型式3. 變面積型電容傳感器傳感器靈敏度直線位移型靈敏度為常數(shù)(

3、1) 板狀線位移變面積型傳感器靈敏度角位移型靈敏度為常數(shù)3. 變面積型電容傳感器(2)角位移變面積型3. 變面積型電容傳感器(3)筒狀線位移變面積型3. 變面積型電容傳感器4差動(dòng)構(gòu)造變面積型4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器插入板料厚度和極板間距相等4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器插入板料厚度為d4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容 電容式液位傳感器 3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.3 電容式傳感器等效電路3.3.4 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.5 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.2 傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要

4、點(diǎn) 1. 特 點(diǎn)2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)1、特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn):1. 溫度穩(wěn)定性好2. 構(gòu)造簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng) 3. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 4. 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小可測(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受mm甚至更小的位移 可動(dòng)局部可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，減小了慣性其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。缺 點(diǎn)：1、輸出阻抗高、負(fù)載才能差傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器

5、的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106108。因此傳感器負(fù)載才能差，易受外界干擾影響 2、寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度 2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能 消除和減小邊緣效應(yīng) 消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾 盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器 低本錢、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)(1)減小

6、溫度、濕度誤差、保證高的絕緣性能 選 材、構(gòu)造、加工工藝 電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng) 電介質(zhì) ：空氣或云母介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0傳感器密封：用以防塵、防潮 采用差動(dòng)構(gòu)造、測(cè)量電路來(lái)減小溫度等誤差 (2). 消除和減小邊緣效應(yīng) 危害：靈敏度降低、 產(chǎn)生非線性 適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比很大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍 等位環(huán) 構(gòu)造 邊緣電場(chǎng)均勻電場(chǎng)3321帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1、2 電極 3等位環(huán)(3) 消除和減小寄生電容的影響， 防止和減少外界干擾a屏蔽和接地 b增加初始電容值，降低容抗。c導(dǎo)

7、線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，假設(shè)采用平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。d盡可能一點(diǎn)接地，防止多點(diǎn)接地 (5)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差進(jìn)步傳感器靈敏度減小寄生電容的影響溫度、濕度等環(huán)境因素的影響3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7 容柵式傳感器低頻等效電路 傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略等效電容C=C0+Cp，等效電阻ReRg CRg高頻等效電

8、路 電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略 ，其中C=C0+Cp，而rer reCL由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此 此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為 當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感包括電纜電感有關(guān)，且隨變化而變化。 3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7 容柵式傳感器3.3.5

9、 電容式傳感器測(cè)量電路 普通交流電橋耦合電感電橋變壓器電橋雙T二極管交流電橋交流電橋電路運(yùn)算放大器式電路調(diào)頻電路調(diào)幅電路調(diào)寬電路(1) 調(diào)頻電路(1) 調(diào)頻電路振蕩回路固有電容引線分布電容傳感器電容當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為 具有較高的靈敏度，可測(cè)至m級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾才能強(qiáng) (2)運(yùn)算放大器式電路 最大特點(diǎn)：能抑制變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號(hào) 運(yùn)算放大器式電路原理圖(2)運(yùn)算放大器式電路 由運(yùn)算放大器工作原理可知 結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容

10、式傳感器的線性假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。 (3)二極管雙T型電路 電源為正半周D1短路D2開(kāi)路，電容C1被充電影響不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE 電路的特點(diǎn) :線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，抑制了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器 。 3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)

11、和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7 容柵式傳感器3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用 (1) 電容式差壓傳感器(2) 電容式振動(dòng)位移傳感器(3) 電容式加速度傳感器P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器 構(gòu)造簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測(cè)微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 電容式位移傳感器應(yīng)用 231B面A面546Cx1Cx21、5 固定極板 2殼體 3簧片 4 質(zhì)量塊 6 絕緣體 精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)

12、很高的加速度 電容式加速度傳感器電荷平衡式位移傳感器 可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例 已在類似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工具中應(yīng)用。3.3 電容式傳感器3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7 容柵式傳感器3.3.7 容柵式傳感器 (1) 根本類型及工作原理(2) 容柵傳感器電極的構(gòu)造形式(1) 根本類型及工作原理 長(zhǎng)容柵圓容柵片狀柱狀長(zhǎng)容柵n動(dòng)尺柵級(jí)片數(shù) a , b柵極片長(zhǎng)度和寬度CCmax0aW3a2Wx柱狀圓容柵r2 , r1 圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑 a 每條柵