傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器課件

1、傳感器原理及應(yīng)用 第5章 電容式傳感器主要內(nèi)容： 5.1 電容傳感器工作原理和類型 5.2 電容傳感器輸出特性 5.3 電容傳感器測量電路 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器概述傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器概述傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動、角度、 加速度等機(jī)械量精密測量。現(xiàn)在逐漸應(yīng)用于壓力、 壓差、液面、成份含量等方面的測量。電容式傳感器的特點(diǎn)是： 電容器容量小幾十幾百微法，具有高輸出阻抗; 靜電引力小（極板間），工作所需作用力很?。?可動質(zhì)量

2、小,具有高的固有頻率動態(tài)響應(yīng)特性好； 功率小，本身發(fā)熱影響??； 可以進(jìn)行非接觸測量。5.1 電容傳感器工作原理和類型傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化， 電容傳感器工作原理可以用平板電容說明： 改變式中S 極板面積，稱變面積型傳感器 極板距離，稱變極距型傳感器 介電常數(shù)，稱變介質(zhì)型傳感器 真空介電常數(shù) 相對介電常數(shù)， 無介質(zhì)時(shí)空氣介質(zhì) r =15.1 電容傳感器工作原理和類型傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器變極距型傳感器5.1 電容傳感器工作原理和類型傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器變面積型傳感器5.2 電容傳感器輸出特性1 變極距型（）

3、 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器初始電容 當(dāng) 減小 時(shí)電容C增加C0CC5.2 電容傳感器輸出特性 1 變極距型（）傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器討論： 要提高傳感器靈敏度 K 應(yīng)減小初始極距 ， 但初始極距受電容擊穿電壓限制； 非線性隨相對的位移 的增加而增加,為保證 線性度應(yīng)限制相對位移； 起始極距與靈敏度相矛盾，變極距型電容傳感器 適合測小位移； 為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動結(jié)構(gòu)。5.2 電容傳感器輸出特性 1 變極距型（）傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器電容相對變化量 電容特征方程忽略高次項(xiàng)為： 傳感器（差動式）靈敏度 相對非線性誤差為 結(jié)論： 差動式電容傳感

4、器比單個電容靈敏度提高一倍； 非線性誤差減?。ǘ喑?因子）。 5.2 電容傳感器輸出特性 2 變面積型（S） 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 平板電容：當(dāng)動極板移動X后兩極板間電容量為：初始電容:電容的相對變化量: 平板變面積型電容傳感器靈敏度結(jié)論： 變面積式電容傳感器靈敏度K為常數(shù)； 輸出特性為線性； 適合大位移測量。5.2 電容傳感器輸出特性 3 變介電常數(shù)式（） 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動時(shí)， 電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況： 測介電常數(shù) （糧倉、木材濕度） 測介質(zhì)厚度 d(紙張、薄膜厚度）d動片5.2 電容

5、傳感器輸出特性 3 變介電常數(shù)式（） 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 d為介質(zhì)的厚度，d、S保持不變， 改變 ，可作為介電常數(shù)的測試儀器。 介電常數(shù) 保持不變，S和一定， 改變介質(zhì)厚度 d，可作為測厚儀器。5.2 電容傳感器輸出特性 3 變介電常數(shù)式（） 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器測液位高度（根據(jù)液體容器的形狀計(jì)算）5.3 測量電路1.電容傳感器的等效電路 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器用金屬屏蔽罩屏蔽電容轉(zhuǎn)換元件，消除靜電場和交變磁場；前級緊靠轉(zhuǎn)換元件或裝在同一殼體內(nèi)，避免信號長距離傳輸；驅(qū)動電纜技術(shù)，驅(qū)動電纜技術(shù)是一種等電位屏蔽法。 原理是：連接電纜采用雙層屏蔽，內(nèi)屏

6、蔽與被屏蔽的導(dǎo)線的電位相同。（跟隨器）使傳輸電纜與內(nèi)屏蔽層等電位，屏蔽線上有隨傳感器信號變化的電壓，所以稱（驅(qū)動電纜），從而消除芯線對內(nèi)層屏蔽層的容性 漏電從而消除寄生電容的影響。 內(nèi)外屏蔽之間的電容是放大器 負(fù)載。這一方法可在10M距離不 影響傳感器性能，保證電容1pF 時(shí)也能正常工作?？商岣唠娙輦?感器的穩(wěn)定性。5.3 測量電路2.電橋電路 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 由電容轉(zhuǎn)換元件組成的變壓器式交流電橋測量系統(tǒng)。 單臂時(shí)，傳感器C鄰臂接一個固定電容C0與之相匹配； 差動形式傳感器 是兩個橋臂 交流電橋的輸出電壓為：代入：5.3 測量電路2.電橋電路 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容

7、式傳感器交流電橋的多種形式5.3 測量電路3. 二極管雙T型電路 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器VE是高頻對稱方波電源， D1、D2特性相同二極管 C1、C2傳感器差動電容 R 固定電阻，RL負(fù)載。 一個周期內(nèi)RL上的平值 電壓為： 一個周期內(nèi)負(fù)載RL上輸出電壓URL與電源電壓VE幅值、 頻率f有關(guān);與電容的差值(C1-C2)成正比 5.3 測量電路4差動脈沖調(diào)寬電路 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器電路原理圖 電路組成：A1、A2比較器；FF雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器； VD1、VD2與電阻組成充放電回路；Uf參考直流電壓; 雙穩(wěn)態(tài)作輸出;電容Cx1、Cx2為傳感器差動電容。 電路分析：設(shè)接通電

8、源時(shí)A高B低，R1對C1充電C點(diǎn)上升到Uf，比較器A1輸出極性改變，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)；A低B高，D1道通C1放電；同時(shí)B點(diǎn)經(jīng)C2充電使A2翻轉(zhuǎn)。傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器5.3 測量電路4差動脈沖調(diào)寬電路 波形圖 C1= C2，UC、UD放電時(shí)間相同，輸出平均電壓U0=0；C1C2，輸出平均電壓 U00 ，若C1C2，輸出A、B兩點(diǎn)的平均值等于UA、UB之差。雙穩(wěn)態(tài)的兩個輸出端各產(chǎn)生一調(diào)制脈沖，脈沖寬度受C1、C2調(diào)制。輸出為兩端之差低通輸出傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器5.3 測量電路4差動脈沖調(diào)寬電路 若R1=R2變面積型變極距型輸出電壓5.3 測量電路6調(diào)頻電路 傳感器原理及應(yīng)

9、用第5章 電容式傳感器諧振曲線調(diào)頻測量電路把電容傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入被測信號使電容發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。由于系統(tǒng)是非線性的，必須加入鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)化換為電壓的變化。5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 1.電容式料位計(jì) 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 用于水泥、化工、罐裝 等傳感器靜電容： 電容測深度、角度 動畫演示檢測電極為電容的一個極，罐子的外殼為電容的另一個極。第一項(xiàng)是靜電容C0：5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 2電容式壓力傳感器傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器結(jié)構(gòu)：（金屬彈性膜片）動片；兩個玻璃球面上鍍有金屬定片； 膜片左右兩側(cè)充滿硅油。 工

10、作過程：當(dāng)兩室分別承受低壓（PL）和高壓（PH）時(shí)， 硅油能將壓差傳遞到測量膜片，當(dāng)PH=PL時(shí)，膜片處于中間位置，C1=C2；當(dāng)有差壓作用時(shí)，測量膜片產(chǎn)生形變： PH PL時(shí)，膜片PL向彎曲，C1C2， PH C2； 將這種電容變化通過 電路轉(zhuǎn)換為電壓變化 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 2.電容式壓力傳感器傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 電容傳感器 盒膜片結(jié)構(gòu) 工業(yè)生產(chǎn)流程自動控制中膜片式壓力計(jì)是常用的一種，電容膜片壓力傳感器分兩種：計(jì)示壓力計(jì)（表壓）以大氣為基準(zhǔn)測管道、箱內(nèi)、罐中壓力；絕對壓力計(jì)以絕對真空為基準(zhǔn)測量蒸發(fā)罐、反應(yīng)罐中的壓力。傳感器基準(zhǔn)接大氣低壓閥高壓閥選通閥管道傳感器

11、接真空低壓閥高壓閥管道反應(yīng)罐 壓力傳感器/變送器基礎(chǔ)知識一、壓力的基本概念 1、壓強(qiáng)（Pressure)與壓力（Pressure，force)：2、壓強(qiáng)與壓力（Pressure)的單位： 壓強(qiáng)：帕斯卡（Pa），壓力：牛頓（N）。3、區(qū)分客戶所說壓力與壓強(qiáng)。4、單位換算： 1bar=1.0105Pa=100kPa=14.7PSI=0.1MPa=760mmHg=10mH2O 1PSI=6.89KPa,1公斤壓力=0.98105Pa=1千克力/厘米2 1inchH2O=250Pa 壓力傳感器/變送器基礎(chǔ)知識二、壓力類型1、絕壓（Absolute,A),以真空為標(biāo)準(zhǔn)2、表壓（Guage,G)，以當(dāng)?shù)卮?/p>

12、氣壓為標(biāo)準(zhǔn)。3、差壓（Differential,D)，測試兩端壓力差值。4、密封表壓（Vent Guage,VG)，以標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)。 壓力傳感器/變送器 壓力芯體、壓力敏感元件 1、表貼封裝（測試氣壓） 2、雙列直插式封裝（測試氣壓） 3、TO-8封裝（測試氣壓） 壓力傳感器/變送器主要應(yīng)用場合： 航天航空軍工場合，例如：風(fēng)洞壓力測試、渦輪機(jī)、 葉輪機(jī)壓力測試，鉆井壓力測試、高溫、低溫壓力測試壓力芯體、壓力敏感元件 4、不銹鋼封裝（測試液壓和氣壓）5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 3電容板材在線測厚儀 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器電容測厚儀用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度變化。

13、帶材是電容的動極板，總電容C1+C2作為橋臂。 帶材只是上下波動時(shí)Cx=C1+C2總的電容量不變；帶材的厚度變化使電容Cx變化。變壓器式輸出電橋。 或用運(yùn)放電路 輸出為：5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 4電容測位移 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 5.力平衡式加速度傳感器 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器力平衡式傳感器系統(tǒng)是先將被測量轉(zhuǎn)換成力或力矩,然后用反饋力與它平衡，可測加速度、角速度、壓力變量、電功率等等。目前主要應(yīng)用于超低頻、低加速度測量，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵元件。YZX在導(dǎo)彈的慣性系統(tǒng)平臺上，沿三個坐標(biāo)安裝三只力平衡系統(tǒng)式加速度傳感器

14、，分別測出三個軸向的加速度。通過積分器計(jì)算機(jī)求出三個軸向的速度和位移，確定運(yùn)動物體在空間的坐標(biāo)位置，提供各種反饋控制信號。因?yàn)榧铀俣仁俏矬w唯一不依賴外部參照物的運(yùn)動參量。 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 5.力平衡式加速度傳感器 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器力平衡式加速度傳感器結(jié)構(gòu)：M慣性元件、放大器、C1、C2位移傳感器、磁力矩器、電容動片固定在質(zhì)量快上。力矩器的反饋力慣性力-力矩器機(jī)電偶合系數(shù)工作原理：殼體加速度當(dāng)反饋力F= Fx（慣性力）時(shí)位移Y=0。5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 5.力平衡式加速度傳感器 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 慣性系統(tǒng)是典型的二階機(jī)械系統(tǒng)，固有頻率和阻尼比決定于慣性元件的阻尼系數(shù) b 和彈性系數(shù) c，慣性元件的傳遞函數(shù)為： 5.4 電容式傳感器的應(yīng)用舉例 6.智能型電容傳感器 傳感器原理及應(yīng)用第5章 電容式傳感器 智能型電容傳感器電路結(jié)構(gòu)兼容協(xié)議 硅電容式集成傳感器大體由壓力敏感電容器、轉(zhuǎn)換電路和輔助電