第4章電容式傳感器

現(xiàn)在是1頁\一共有72頁\編輯于星期日現(xiàn)在是2頁\一共有72頁\編輯于星期日現(xiàn)在是3頁\一共有72頁\編輯于星期日4電容式傳感器現(xiàn)在是4頁\一共有72頁\編輯于星期日現(xiàn)在是5頁\一共有72頁\編輯于星期日4電容式傳感器4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4.2靈敏度及非線性4.3電容~等效電路4.4電容~測量電路4.5電容傳感器的應(yīng)用4/15/2023現(xiàn)在是6頁\一共有72頁\編輯于星期日4.1工作原理與結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是7頁\一共有72頁\編輯于星期日電容傳感器的變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。4.1工作原理與結(jié)構(gòu)被測物理量位移/振動/壓力/液高/角度介質(zhì)極距面積電容量變化電壓/電流4/15/2023現(xiàn)在是8頁\一共有72頁\編輯于星期日由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：+++dA4.1工作原理與結(jié)構(gòu)P99.圖4-14/15/2023現(xiàn)在是9頁\一共有72頁\編輯于星期日電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是10頁\一共有72頁\編輯于星期日++++++1變極距型電容式傳感器4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是11頁\一共有72頁\編輯于星期日4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是12頁\一共有72頁\編輯于星期日電容式傳聲器的電路原理4/15/2023現(xiàn)在是13頁\一共有72頁\編輯于星期日4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是14頁\一共有72頁\編輯于星期日若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，則電容量增大了ΔC：4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是15頁\一共有72頁\編輯于星期日CDC1DC2ODd1Dd2CDC1DC2ODd1Dd2d電容量與極板間距離的關(guān)系4.1工作原理與結(jié)構(gòu)P100.圖4-24/15/2023現(xiàn)在是16頁\一共有72頁\編輯于星期日可以看出，Δd/d0<<1時，1-(Δd/d0)2≈1，有：此時C與Δd近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時，才有近似的線性關(guān)系。4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是17頁\一共有72頁\編輯于星期日放置云母片的電容器εg=7，ε0=1。4.1工作原理與結(jié)構(gòu)P100.圖4-44/15/2023現(xiàn)在是18頁\一共有72頁\編輯于星期日2變面積型電容式傳感器4.1工作原理與結(jié)構(gòu)P101.圖4-64/15/2023現(xiàn)在是19頁\一共有72頁\編輯于星期日電容相對變化量為：4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是20頁\一共有72頁\編輯于星期日電容式角位移傳感器原理圖4/15/2023現(xiàn)在是21頁\一共有72頁\編輯于星期日可以看出，傳感器的電容量C與角位移θ呈線性關(guān)系。4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是22頁\一共有72頁\編輯于星期日4.1工作原理與結(jié)構(gòu)3變介質(zhì)型電容式傳感器4/15/2023現(xiàn)在是23頁\一共有72頁\編輯于星期日變介質(zhì)型電容式傳感器P102.圖4-84/15/2023現(xiàn)在是24頁\一共有72頁\編輯于星期日當(dāng)被測介質(zhì)εr2進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對變化量為:可見，電容量的變化與電介質(zhì)εr2的移動量L成線性關(guān)系。4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是25頁\一共有72頁\編輯于星期日液位傳感器4/15/2023現(xiàn)在是26頁\一共有72頁\編輯于星期日4.1工作原理與結(jié)構(gòu)4/15/2023現(xiàn)在是27頁\一共有72頁\編輯于星期日4/15/2023現(xiàn)在是28頁\一共有72頁\編輯于星期日4.1工作原理與結(jié)構(gòu)Dd檢測電路測定電極儲罐ε0ε1h4/15/2023現(xiàn)在是29頁\一共有72頁\編輯于星期日4.2靈敏度與非線性現(xiàn)在是30頁\一共有72頁\編輯于星期日對于變極距型，電容的相對變化量為當(dāng)|Δd/d0|<<1時，上式可按級數(shù)展開，可得：4.2靈敏度與非線性4/15/2023現(xiàn)在是31頁\一共有72頁\編輯于星期日|Δd/d0|<<1時可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系：電容傳感器的靈敏度為：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。4.2靈敏度與非線性4/15/2023現(xiàn)在是32頁\一共有72頁\編輯于星期日4.2靈敏度與非線性動手計算：參考圖P100,4-5,計算差動式變極距電容結(jié)構(gòu)的靈敏度？詳細(xì)計算及結(jié)果。5分鐘~~~~4/15/2023現(xiàn)在是33頁\一共有72頁\編輯于星期日差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖：e0e0d1d2C1C2A4.2靈敏度與非線性S=?4/15/2023現(xiàn)在是34頁\一共有72頁\編輯于星期日4.3等效電路現(xiàn)在是35頁\一共有72頁\編輯于星期日電容式傳感器的等效電路：并聯(lián)損耗電阻串聯(lián)損耗電阻電感L由電容器本身電感和外部引線電感組成，高頻應(yīng)用中尤須考慮。4.3等效電路寄生電容4/15/2023現(xiàn)在是36頁\一共有72頁\編輯于星期日由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常為幾十兆赫。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇遠(yuǎn)離諧振頻率，否則電容傳感器不能正常工作。4.3等效電路4/15/2023現(xiàn)在是37頁\一共有72頁\編輯于星期日忽略損耗電阻，傳感元件的有效電容Ce為：有效電容的變化ΔCe為：4.3等效電路4/15/2023現(xiàn)在是38頁\一共有72頁\編輯于星期日在這種情況下，電容的實(shí)際相對變化量為：這表明電容式傳感器的實(shí)際相對變化量與傳感器的固有電感L的角頻率ω有關(guān)。因此，在實(shí)際應(yīng)用時必須與標(biāo)定的條件相同。4.3等效電路4/15/2023現(xiàn)在是39頁\一共有72頁\編輯于星期日邊緣效應(yīng)4/15/2023現(xiàn)在是40頁\一共有72頁\編輯于星期日寄生電容4/15/2023現(xiàn)在是41頁\一共有72頁\編輯于星期日4.4測量電路現(xiàn)在是42頁\一共有72頁\編輯于星期日調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率隨之變化。由于頻率系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，便于記錄。調(diào)頻電路4.4測量電路4/15/2023現(xiàn)在是43頁\一共有72頁\編輯于星期日調(diào)頻式測量電路原理框圖固有頻率：4.4測量電路4/15/2023現(xiàn)在是44頁\一共有72頁\編輯于星期日4.4測量電路4/15/2023現(xiàn)在是45頁\一共有72頁\編輯于星期日調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接收，以達(dá)到遙測遙控的目的。4.4測量電路4/15/2023現(xiàn)在是46頁\一共有72頁\編輯于星期日4.4測量電路電橋電路UCr1Cr2U0LLCr1CU0UCCr2UCr1CRRU0Cr1Cr2U0UP106.圖4-154/15/2023現(xiàn)在是47頁\一共有72頁\編輯于星期日4.4測量電路Cr1Cr2USC放大振蕩器相敏檢波濾波器變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。4/15/2023現(xiàn)在是48頁\一共有72頁\編輯于星期日4.4測量電路二極管雙T形交流電橋P107.圖4-18式4-334/15/2023現(xiàn)在是49頁\一共有72頁\編輯于星期日脈沖寬度調(diào)制電路4.4測量電路P108.圖4-194/15/2023現(xiàn)在是50頁\一共有72頁\編輯于星期日脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形。4.4測量電路P108.圖4-204/15/2023現(xiàn)在是51頁\一共有72頁\編輯于星期日運(yùn)算放大器式電路4.4測量電路P109.圖4-21式4-37,384/15/2023現(xiàn)在是52頁\一共有72頁\編輯于星期日環(huán)形二極管電容測量電路原理圖環(huán)形二極管充放電法4.4測量電路4/15/2023現(xiàn)在是53頁\一共有72頁\編輯于星期日4.5電容傳感器的應(yīng)用現(xiàn)在是54頁\一共有72頁\編輯于星期日4/15/2023現(xiàn)在是55頁\一共有72頁\編輯于星期日4/15/2023現(xiàn)在是56頁\一共有72頁\編輯于星期日4/15/2023現(xiàn)在是57頁\一共有72頁\編輯于星期日電容式壓力傳感器差動式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖4.5電容傳感器的應(yīng)用4/15/2023現(xiàn)在是58頁\一共有72頁\編輯于星期日凹玻璃圓片彈性膜片(動電極)固定電極PP彈性膜片(動電極)固定電極hmaxd0CACLCHC0PHPL4/15/2023現(xiàn)在是59頁\一共有72頁\編輯于星期日4/15/2023現(xiàn)在是60頁\一共有72頁\編輯于星期日電容式加速度傳感器4.5電容傳感器的應(yīng)用4/15/2023現(xiàn)在是61頁\一共有72頁\編輯于星期日彈簧片定極板2質(zhì)量塊（動極板）定極板1絕緣體aC1C2m4/15/2023現(xiàn)在是62頁\一共有72頁\編輯于星期日測振幅測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物振動電容式傳感器被測軸電容式傳感器4/15/2023現(xiàn)在是63頁\一共有72頁\編輯于星期日差動式電容測厚傳感器4/15/2023現(xiàn)在是64頁\一共有72頁\編輯于星期日電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容4.5電容傳感器的應(yīng)用4/15/2023現(xiàn)在是65頁\一共有72頁\編輯于星期