傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用-第6章課件

傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用

第二篇典型傳感器的原理

及其應(yīng)用技術(shù)

11/22/2022傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用

第二篇典型傳感器的原理

及其應(yīng)用技第六章電容式傳感器及應(yīng)用掌握電容式傳感器工作原理

。了解電容式傳感器主要類型及各自的主要特點(diǎn)。了解解電容式傳感器的測量電路和主要應(yīng)用。

11/22/20222第六章電容式傳感器及應(yīng)用掌握電容式傳感器工作原理

。11/將被測量的非電量轉(zhuǎn)換為自身電容的一種傳感器。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:當(dāng)被測量d、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(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。6.1電容式傳感器工作原理

式中——真空介電常數(shù)，8.85×10-12（F/m）；

——極板間介質(zhì)的相介電常數(shù)；

——極板相互遮蓋的面積(m2)；d——極板距離(m);——介質(zhì)的相對介電常數(shù)。11/22/20223將被測量的非電量轉(zhuǎn)換為自身電容的一種傳感器。兩1.空氣介質(zhì)極距變化型

極距變化型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理見下圖。根據(jù)式

6.2電容式傳感器的類型

一、極距變化型

(3.4-3)當(dāng)極板間距減小d時(shí)，電容為：電容增量為：11/22/202241.空氣介質(zhì)極距變化型6.2電容式傳感器的類型一、極距當(dāng)d/d0<<1時(shí)，忽略非線性項(xiàng)，有：電容相對變化量當(dāng)極板間距增大d時(shí)，電容相對變化量靈敏度相對非線性誤差11/22/20225當(dāng)d/d0<<1時(shí)，忽略非線性項(xiàng)，有：電容相對變化量當(dāng)極板實(shí)際中，為了提高靈敏度等常采用差動形式。11/22/20226實(shí)際中，為了提高靈敏度等常采用差動形式。11/21/則有靈敏度非線性相對誤差11/22/20227則有靈敏度非線性相對誤差11/21/202272、加固體介質(zhì)的極距變化型電容傳感器

減小間隙能提高靈敏度，但又易擊穿，為此，經(jīng)常在兩極片間加一層介電常數(shù)值高一些的介電物質(zhì)，如云母、塑料膜等。11/22/202282、加固體介質(zhì)的極距變化型電容傳感器11/21/20228二、

面積變化型包括線位移型（平面線位移和圓柱體線位移）和角位移型兩種。

11/22/20229二、面積變化型包括線位移型（平面線位移和圓柱體線位移）和角線位移型電容式傳感器有平面線位移型和圓柱線位移型兩種。

(3.4-8)1.平面線位移型

相對變化靈敏度11/22/202210線位移型電容式傳感器有平面線位移型和圓柱線位移型兩種。靈敏度為2.角位移型電容變化量靈敏度3.圓柱形線位移型起始電容為11/22/202211靈敏度為2.角位移型電容變化量靈敏度3.圓柱形線位移型起始當(dāng)有位移△x時(shí)11/22/202212當(dāng)有位移△x時(shí)11/21/202212構(gòu)成差動筒型電容傳感器時(shí)11/22/202213構(gòu)成差動筒型電容傳感器時(shí)11/21/202213三、介質(zhì)變化型這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位等。

(3.4-12)

(3.4-13)11/22/202214三、介質(zhì)變化型這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位

如右圖，厚度為2

的介質(zhì)（2

為其介電常數(shù)）在電容器中左右運(yùn)動，由于電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)改變，電容量改變。設(shè)電容器極板寬度為b，介質(zhì)2的寬度大于等于b。

11/22/202215如右圖，厚度為2的介質(zhì)（2為其介電常數(shù)）在當(dāng)極板間無介質(zhì)2時(shí)，存在介質(zhì)時(shí)，C=CA+CB（并聯(lián)）其中：1=-2

從而：11/22/202216當(dāng)極板間無介質(zhì)2時(shí)，存在介質(zhì)時(shí)，C=CA+CB（并顯然，靈敏度為常數(shù)，輸入輸出成線性關(guān)系。靈敏度11/22/202217顯然，靈敏度為常數(shù)，輸入輸出成線性關(guān)系。靈敏度11/21/26.3電容式傳感器的測量電路

一、普通交流電橋初始二、變壓器電橋11/22/2022186.3電容式傳感器的測量電路一、普通交流電橋初始二、變壓當(dāng)C1，C2為差動電容傳感器的電容時(shí)，則有也可以用右邊的電橋uiUi/2Ui/2

C1

C2

放大相敏檢波濾波11/22/202219當(dāng)C1，C2為差動電容傳感器的電容時(shí)，則有也可以用右uiUi三、調(diào)頻電路11/22/202220三、調(diào)頻電路11/21/202220四、運(yùn)算放大器電路五、電容式傳感器特點(diǎn)1.功率小、阻抗高；2.靜電力小、動態(tài)特性好；3.本身發(fā)熱量小；4.結(jié)構(gòu)簡單；5.初始電容小，分布電容、寄生電容影響大。11/22/202221四、運(yùn)算放大器電路五、電容式傳感器特點(diǎn)1.功率小、阻抗高；6.4電容式傳感器誤差分析、補(bǔ)償及應(yīng)用一、誤差分析和補(bǔ)償1.減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，保證絕緣性。2.消除和減小邊緣效應(yīng)。11/22/2022226.4電容式傳感器誤差分析、補(bǔ)償及應(yīng)用一、誤差分析和補(bǔ)償1

3.消除和減小寄生電容的影響

①增加原始電容值可減小寄生電容的影響。

②注意傳感器的接地和屏蔽。

③盡量采用差動式電容傳感器，可減小非線性誤差，提高靈敏度，減小寄生電容的影響以及減小干擾。二、電容式傳感器應(yīng)用1.電容式壓力傳感器11/22/2022233.消除和減小寄生電容的影響

①增加原始電容值可減小寄2.電容式位移傳感器3.電容式加速度傳感器(1)傳統(tǒng)電容加速度傳感器11/22/2022242.電容式位移傳感器3.電容式加速度傳感器(1)傳統(tǒng)電容加速（2）MEMS電容式加速度傳感器11/22/202225（2）MEMS電容式加速度傳感器11/21/20222511/22/20222611/21/20222611/22/20222711/21/2022273.電容式液位傳感器11/22/2022283.電容式液位傳感器11/21/202228三、電容傳感器應(yīng)用示例例1.有一變極間距離的差動電容傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖6－20所示，選用變壓器交流電橋作為測量電路。差動電容器參數(shù)：r=12mm,d1=d2=d0=0.6mm,空氣介電常數(shù)ε＝ε0＝8.85×10-12F/m；測量電路參數(shù)：Usr=3sinωt(V).試求動極板上輸入位移（設(shè)向上位移）△x＝0.05mm時(shí)，電橋輸出端電壓Usc?解：起始時(shí)C1=C2=C011/22/202229三、電容傳感器應(yīng)用示例例1.有一變極間距離的差動電容傳感器，因△x<<d0,則由變壓器交流電橋，可得代入usc,在條件△C1=

△C2=△C下化簡有11/22/202230因△x<<d0,則由變壓器交流電橋，可得代入usc,在條件△加入相敏檢波和濾波電路后的電路為例2.電容式汽車油箱油位計(jì)11/22/202231加入相敏檢波和濾波電路后的電路為例2.電容式汽車油箱油位計(jì)1（1）油位傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)陶瓷管的外徑為R，內(nèi)徑為r，兩電極端面的初始角為2α0，并設(shè)電極廠為H，陶瓷管和空氣的復(fù)合介電常數(shù)為ε∑,則有無油時(shí)的初始電容C0復(fù)合介電常數(shù)ε∑11/22/202232（1）油位傳感器的結(jié)構(gòu)無油時(shí)的初始電容C0復(fù)合介電常數(shù)ε∑1當(dāng)傳感器浸入油面的深度為h時(shí)，傳感器的電容為因此，傳感器的結(jié)構(gòu)確定后，其電容與浸入油面的深度h成線性關(guān)系。（2）測量電路其中11/22/202233當(dāng)傳感器浸入油面的深度為h時(shí)，傳感器的電容為因此，傳感器的結(jié)11/22/20223411/21/202234CS略小于Cr,且R1=R2當(dāng)電源接通時(shí)（t=0），V1為高電平（＝VCC），V1然后逐漸降低當(dāng)11/22/202235CS略小于Cr,且R1=R2當(dāng)電源接通時(shí)（t=0），V1為高同理有將CS=A+Bh代入上式該電路實(shí)現(xiàn)了油位的線性變換。11/22/202236同理有將CS=A+Bh代入上式該電路實(shí)現(xiàn)了油位的線性變換。1思考題1.根據(jù)電容式傳感器工作原理，可將其分為幾類？每種類型各有什么特點(diǎn)？可用于什么場合？2.如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？3.下圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于液位高低測量的原理圖。設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，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，空氣介電常數(shù)為ε，推導(dǎo)電容器的電容C與沒有液體的電容C0及液面高度的關(guān)系式，變換器的靈敏度。11/22/202237思考題1.根據(jù)電容式傳感器工作原理，可將其分為幾類？11/24圖.電容式液位變換器原理圖5.認(rèn)真領(lǐng)會掌握普通交流電橋、變壓器電橋及運(yùn)算放大器式測量電路。11/22/2022384圖.電容式液位變換器原理圖5.認(rèn)真領(lǐng)會掌握普通交流電橋、變傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用

第二篇典型傳感器的原理

及其應(yīng)用技術(shù)

11/22/2022傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用

第二篇典型傳感器的原理

及其應(yīng)用技第六章電容式傳感器及應(yīng)用掌握電容式傳感器工作原理

。了解電容式傳感器主要類型及各自的主要特點(diǎn)。了解解電容式傳感器的測量電路和主要應(yīng)用。

11/22/202240第六章電容式傳感器及應(yīng)用掌握電容式傳感器工作原理

。11/將被測量的非電量轉(zhuǎn)換為自身電容的一種傳感器。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:當(dāng)被測量d、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(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。6.1電容式傳感器工作原理

式中——真空介電常數(shù)，8.85×10-12（F/m）；

——極板間介質(zhì)的相介電常數(shù)；

——極板相互遮蓋的面積(m2)；d——極板距離(m);——介質(zhì)的相對介電常數(shù)。11/22/202241將被測量的非電量轉(zhuǎn)換為自身電容的一種傳感器。兩1.空氣介質(zhì)極距變化型

極距變化型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理見下圖。根據(jù)式

6.2電容式傳感器的類型

一、極距變化型

(3.4-3)當(dāng)極板間距減小d時(shí)，電容為：電容增量為：11/22/2022421.空氣介質(zhì)極距變化型6.2電容式傳感器的類型一、極距當(dāng)d/d0<<1時(shí)，忽略非線性項(xiàng)，有：電容相對變化量當(dāng)極板間距增大d時(shí)，電容相對變化量靈敏度相對非線性誤差11/22/202243當(dāng)d/d0<<1時(shí)，忽略非線性項(xiàng)，有：電容相對變化量當(dāng)極板實(shí)際中，為了提高靈敏度等常采用差動形式。11/22/202244實(shí)際中，為了提高靈敏度等常采用差動形式。11/21/則有靈敏度非線性相對誤差11/22/202245則有靈敏度非線性相對誤差11/21/202272、加固體介質(zhì)的極距變化型電容傳感器

減小間隙能提高靈敏度，但又易擊穿，為此，經(jīng)常在兩極片間加一層介電常數(shù)值高一些的介電物質(zhì)，如云母、塑料膜等。11/22/2022462、加固體介質(zhì)的極距變化型電容傳感器11/21/20228二、

面積變化型包括線位移型（平面線位移和圓柱體線位移）和角位移型兩種。

11/22/202247二、面積變化型包括線位移型（平面線位移和圓柱體線位移）和角線位移型電容式傳感器有平面線位移型和圓柱線位移型兩種。

(3.4-8)1.平面線位移型

相對變化靈敏度11/22/202248線位移型電容式傳感器有平面線位移型和圓柱線位移型兩種。靈敏度為2.角位移型電容變化量靈敏度3.圓柱形線位移型起始電容為11/22/202249靈敏度為2.角位移型電容變化量靈敏度3.圓柱形線位移型起始當(dāng)有位移△x時(shí)11/22/202250當(dāng)有位移△x時(shí)11/21/202212構(gòu)成差動筒型電容傳感器時(shí)11/22/202251構(gòu)成差動筒型電容傳感器時(shí)11/21/202213三、介質(zhì)變化型這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位移、液位等。

(3.4-12)

(3.4-13)11/22/202252三、介質(zhì)變化型這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度、位

如右圖，厚度為2

的介質(zhì)（2

為其介電常數(shù)）在電容器中左右運(yùn)動，由于電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)改變，電容量改變。設(shè)電容器極板寬度為b，介質(zhì)2的寬度大于等于b。

11/22/202253如右圖，厚度為2的介質(zhì)（2為其介電常數(shù)）在當(dāng)極板間無介質(zhì)2時(shí)，存在介質(zhì)時(shí)，C=CA+CB（并聯(lián)）其中：1=-2

從而：11/22/202254當(dāng)極板間無介質(zhì)2時(shí)，存在介質(zhì)時(shí)，C=CA+CB（并顯然，靈敏度為常數(shù)，輸入輸出成線性關(guān)系。靈敏度11/22/202255顯然，靈敏度為常數(shù)，輸入輸出成線性關(guān)系。靈敏度11/21/26.3電容式傳感器的測量電路

一、普通交流電橋初始二、變壓器電橋11/22/2022566.3電容式傳感器的測量電路一、普通交流電橋初始二、變壓當(dāng)C1，C2為差動電容傳感器的電容時(shí)，則有也可以用右邊的電橋uiUi/2Ui/2

C1

C2

放大相敏檢波濾波11/22/202257當(dāng)C1，C2為差動電容傳感器的電容時(shí)，則有也可以用右uiUi三、調(diào)頻電路11/22/202258三、調(diào)頻電路11/21/202220四、運(yùn)算放大器電路五、電容式傳感器特點(diǎn)1.功率小、阻抗高；2.靜電力小、動態(tài)特性好；3.本身發(fā)熱量小；4.結(jié)構(gòu)簡單；5.初始電容小，分布電容、寄生電容影響大。11/22/202259四、運(yùn)算放大器電路五、電容式傳感器特點(diǎn)1.功率小、阻抗高；6.4電容式傳感器誤差分析、補(bǔ)償及應(yīng)用一、誤差分析和補(bǔ)償1.減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差，保證絕緣性。2.消除和減小邊緣效應(yīng)。11/22/2022606.4電容式傳感器誤差分析、補(bǔ)償及應(yīng)用一、誤差分析和補(bǔ)償1

3.消除和減小寄生電容的影響

①增加原始電容值可減小寄生電容的影響。

②注意傳感器的接地和屏蔽。

③盡量采用差動式電容傳感器，可減小非線性誤差，提高靈敏度，減小寄生電容的影響以及減小干擾。二、電容式傳感器應(yīng)用1.電容式壓力傳感器11/22/2022613.消除和減小寄生電容的影響

①增加原始電容值可減小寄2.電容式位移傳感器3.電容式加速度傳感器(1)傳統(tǒng)電容加速度傳感器11/22/2022622.電容式位移傳感器3.電容式加速度傳感器(1)傳統(tǒng)電容加速（2）MEMS電容式加速度傳感器11/22/202263（2）MEMS電容式加速度傳感器11/21/20222511/22/20226411/21/20222611/22/20226511/21/2022273.電容式液位傳感器11/22/2022663.電容式液位傳感器11/21/202228三、電容傳感器應(yīng)用示例例1.有一變極間距離的差動電容傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖6－20所示，選用變壓器交流電橋作為測量電路。差動電容器參數(shù)：r=12mm,d1=d2=d0=0.6mm,空氣介電常數(shù)ε＝ε0＝8.85×10-12F/m；測量電路參數(shù)：Usr=3sinωt(V).試求動極板上輸入位移（設(shè)向上位移）△x＝0.05mm時(shí)，電橋輸出端電壓Usc?解：起始時(shí)C1=C2=C011/22/202267三、電容傳感器應(yīng)用示例例1.有一變極間距離的差動電容傳感器，因△x<<d0,則由變壓器交流電橋，可得代入usc,在條件△C1=

△C2=△C下化簡有11/22/202268因△x<<d0,則由變壓器交流電橋，可得代入usc,在條件△加入相敏檢波和濾波電路后的電路為例2.電容式汽車油箱油位計(jì)11/22/202269加入相敏檢波和濾波電路后的電路