電容-第七章課件

應(yīng)用：壓力、差壓、液位、位移、加速度、成分含量等原理：被測非電量轉(zhuǎn)換為電容量的變化種類：變極距d、變面積S、變介質(zhì)

ε

特點(diǎn)：非接觸式測量，分辨率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，適合在高溫、輻射、強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作第七章電容傳感器ε

：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；S：兩平行板所覆蓋的面積；d：兩平行板之間的距離2.變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對于定極板沿著長度方向平移時(shí)，其電容變化量化為△C與△x間呈線性關(guān)系電容式角位移傳感器當(dāng)θ=0時(shí)當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關(guān)系，但如果輸出是，則是非線性關(guān)系。當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容當(dāng)被測電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對變化量為電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L呈線性關(guān)系4.變極距型電容傳感器非線性關(guān)系若△d/d<<1時(shí)，則式（3.3.3）可簡化為若極距縮小△d最大位移應(yīng)小于間距的1/10差動(dòng)式改善其非線性初始電容變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)

右圖為用于測量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計(jì)。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。 圖中：

1、2-內(nèi)、外電極；

3-絕緣套；

4-流通孔。1）變面積式電容變換器：用來測角位移和線位移輸入輸出特性：靈敏度：理論線性度：2）變介電常數(shù)式電容變換器：

介質(zhì)含水量、介質(zhì)厚度、溫度、密度等變化引起介電常數(shù)變化，因此可以構(gòu)成含水量、物位高度、溫度等測量用傳感器。3）變間隙式電容變換器，用來測線位移。輸入輸出關(guān)系具有嚴(yán)重非線性。

靈敏度：5）問題討論7）電容傳感器一些量的變化范圍8）提高靈敏度和精度的措施9）測量電路電容傳感器+光電傳感器3.3.5電容式傳感器測量電路

(1)電橋電路(2)運(yùn)算放大器電路(3)脈寬調(diào)制電路(4)調(diào)頻電路(5)雙T型電橋電路(2)運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服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是輸出電壓信號運(yùn)算放大器式電路原理圖uC-ACx∑～u0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式傳感器的線性

假設(shè)放大器開環(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。

差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為式中

UA、UB──A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；

T1、T2──分別為C1和C2的充電時(shí)間；

U1──觸發(fā)器輸出的高電位。設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為d1、d2和S1、S2

差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何 差動(dòng)式電容式傳感器 并具有理論上的線性特性(4)調(diào)頻電路當(dāng)被測信號為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測信號不為零時(shí)，△c≠0，此時(shí)頻率為具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)若二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成一階電路UE+RRRULLEiC2C2U0RRLR±供電電壓是幅值為±UE、周期為T、占空比為50%的方波可直接得到電容C2的電流iC2如下:在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2時(shí)，電流iC2的平均值IC2可以寫成故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為同理，可得負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流IC1為電路的特點(diǎn):①線路簡單，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；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；④適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。優(yōu)點(diǎn)：

采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高 不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求 也不需要相敏檢波與解調(diào)等 對元件無線性要求 經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓 對輸出矩形波的純度要求也不高3.3.3傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(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（電容值與電極材料無關(guān)本身發(fā)熱極小）

2.結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)

3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)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0.001mm甚至更小的位移可動(dòng)部分可以做得很小很薄，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，特別適合動(dòng)態(tài)測量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電

系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。缺點(diǎn)：

1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差 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)106～108。因此傳感器負(fù)載能力差，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)式電容傳感器低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)(1)減小溫度誤差、保證高的絕緣性能

選材、結(jié)構(gòu)、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)）

電極支架：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架

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)結(jié)構(gòu)、測量電路來減小溫度等誤差(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量范圍(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)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，若采用平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地(4)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用

減小非線性誤差 提高傳感器靈敏度 減小寄生電容的影響 溫度、濕度等環(huán)境因素的影響第八章光電式傳感器光電式傳感器工作原理：把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。輻射源光學(xué)通路光電元件光電式傳感器方框圖光電效應(yīng)？物理學(xué)中認(rèn)為光是由分離的能團(tuán)——光子組成波粒子能量：所謂光電效應(yīng)是物體吸收能量為E的光后所產(chǎn)生電效應(yīng)根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)，一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子，因此，要使一個(gè)電子從物質(zhì)的表面逸出，光子的能量E必須大于該物質(zhì)表面的逸出功A0，即8.1光電效應(yīng)和光電器件8.1.1

光電管8.1.2光電倍增管8.1.3光敏電阻8.1.4光敏二極管和光敏晶體管8.1.5光電池8.1.6光電式傳感器的應(yīng)用8.1.1外光電效應(yīng)（光電發(fā)射型）在光線作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管光電管當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高.所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差8.1.2光電倍增管

在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光電陰極光電倍增極陽極 倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級升高陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射系數(shù)σ=二次發(fā)射電子數(shù)／入射電子數(shù) 若倍增極有n，則倍增率為σn內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)型）在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如光敏電阻等1.光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加光敏電阻的結(jié)構(gòu)1.玻璃2.光電導(dǎo)層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳狀，可提高光敏電阻的靈敏度。2．光敏電阻的基本特性（1）伏安特性

（2）光照特性（3）光譜特性（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性（5）溫度特性（1）伏安特性

在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。

（2）光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。（3）光譜特性光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的

（4）響應(yīng)時(shí)間光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。

光敏電阻的頻率特性不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。（5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。

硫化鎘光敏電阻的溫度特性溫度系數(shù):在一定光照下，溫度每變化1℃，光敏電阻阻值的平均變化率溫度對光譜特性影響隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性8.1光電效應(yīng)和光電器件8.1.1

光電管8.1.2光電倍增管8.1.3光敏電阻8.1.4光敏二極管和光敏晶體管8.1.5光電池8.1.6光電式傳感器的應(yīng)用8.1.4光敏二極管和光敏晶體管1．工作原理2．基本特性1．工作原理結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中 在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的光敏二極管光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)P-N結(jié)。把光信號轉(zhuǎn)換為電信號同時(shí)，又將信號電流加以放大。2．基本特性（1）光譜特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）溫度特性（5）頻率響應(yīng)（1）光譜特性入射光的波長增加時(shí)，相對靈敏度要下降硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。在紅外光進(jìn)行探測時(shí)，則鍺管較為適宜。（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性

（3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好

（4）溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。（5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)4.1光電效應(yīng)和光電器件4.1.1

光電管4.1.2光電倍增管4.1.3光敏電阻4.1.4光敏二極管和光敏晶體管4.1.5光電池4.1.6光電式傳感器的應(yīng)用阻擋層光電效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)）在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等光電池有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。

1.工作原理

2．基本特性1.工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的P-N結(jié)。當(dāng)光照射到P-N結(jié)上時(shí)，便在P-N結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù))。用導(dǎo)線將P-N結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，就有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動(dòng)勢。2．基本特性(1)光譜特性(2)光照特性(3)頻率響應(yīng)(4)溫度特性(5)穩(wěn)定性

（1）光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的(2)光照特性不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢是不同的。短路電流與光照度成線性關(guān)系；開路電壓與光照度是非線性的光電池作為測量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬(3)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系硅光電池具有較高的頻率響應(yīng),用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換(4)溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度