第3章 電容式傳感器與液位檢測(cè)

第3章電容式傳感器與液位檢測(cè)【教學(xué)目標(biāo)】熟悉電容式傳感器的工作原理了解電容式傳感器的結(jié)構(gòu)掌握電容式傳感器的測(cè)量電路熟悉電容式傳感器的應(yīng)用【教學(xué)重點(diǎn)】電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的測(cè)量電路【教學(xué)難點(diǎn)】電容傳感器的典型應(yīng)用【主要內(nèi)容】電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的典型應(yīng)用第3章電容式傳感器與液位檢測(cè)3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理平板電容器的電容值可表示為：式中：

—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，

=

0

r，

其中

0為真空介電常數(shù)，

r為

極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；A

—兩平行板正對(duì)面積；

d

—兩平行板之間的距離。被測(cè)非電量電容量變化電流、電壓或頻率3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理變面積型電容傳感器平行板式變面積電容傳感器靈敏度:動(dòng)極板的位移量越大，電容值越小；增大極板寬度，減小極板間的距離都可以提高靈敏度；電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理變面積型電容傳感器角位移式變面積電容傳感器角位移式電容傳感器的輸出特性也是線性的;動(dòng)極板的角位移越大，電容值越小。3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理變面積型電容傳感器圓筒式變面積電容傳感器圓筒式變面積電容傳感器的輸出特性仍為線性;內(nèi)圓筒移出的位移量越大，電容值越小；其靈敏度與圓筒長(zhǎng)度L有關(guān)，L越小，靈敏度越高。3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理變極距型電容傳感器傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是非線性的，應(yīng)用時(shí)需作近似線性處理。當(dāng)x/d0<<1時(shí)（即位移遠(yuǎn)小于極板初始距離時(shí)），(x/d0)2近似為0，1－(x/d0)2≈1，則上式可以簡(jiǎn)化為：3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理變極距型電容傳感器傳感器靈敏度為:結(jié)論：變極距型電容傳感器是非線性的；為了減小非線性誤差必須使x<<d0，因此電容傳感器僅適合測(cè)量微小位移。初始極距d0較小時(shí)，可以增大ΔC，從而提高傳感器的靈敏度，但d0不宜過(guò)小，否則容易引起電容器擊穿或短路。3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理變介質(zhì)型電容傳感器常見(jiàn)電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)見(jiàn)下表：真空的介電常數(shù)：ε0

=8.85×10-12F/m介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)：εr=ε/ε0，3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理變介質(zhì)型電容傳感器位移型變介質(zhì)電容傳感器電容值與位移量的關(guān)系是線性的，被測(cè)質(zhì)量塊移出的距離越大，電容值越小。3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理變介質(zhì)型電容傳感器液位型變介質(zhì)電容傳感器該液位傳感器的輸出與輸入也是線性關(guān)系，傳感器的總電容增量正比于被測(cè)液位高度h，即液位h越高，電容值越大。3.1電容傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容傳感器為了改善變極距型電容傳感器的非線性，可以采用差動(dòng)型電容傳感器。將C1、C2接入差動(dòng)電橋電路后：能減小非線性誤差；使傳感器的靈敏度提高一倍；外界的影響諸如溫度、激勵(lì)源電壓、頻率變化等造成的誤差也基本能相互抵消。3.2電容式傳感器的測(cè)量電路交流電橋電路電橋的輸出電壓與電容變化成正比，與位移量之間的關(guān)系為線性；靈敏度提高到了單電容傳感器的兩倍。運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器的輸出電壓與極距之間為線性關(guān)系，它從原理上解決了變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題。3.2電容式傳感器的測(cè)量電路3.2電容式傳感器的測(cè)量電路調(diào)頻電路3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)①測(cè)量范圍大，其相對(duì)變化率可超過(guò)100%；②靈敏度高，如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可達(dá)10~7個(gè)數(shù)量級(jí)；③動(dòng)態(tài)響應(yīng)快（因其可動(dòng)質(zhì)量小）、固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)量；④穩(wěn)定性好（由于電容器極板多為金屬材料）、極板間介質(zhì)多為無(wú)機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等，因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射下長(zhǎng)期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題。電容式壓力傳感器P1和P2的壓力差使金屬膜片產(chǎn)生位移，從而改變了兩個(gè)差動(dòng)電容器的極距，其電容值也隨之改變。3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容式測(cè)厚儀金屬帶材在軋制過(guò)程中的厚度檢測(cè)3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容式測(cè)厚儀非金屬帶材厚度的檢測(cè)3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容式加速度傳感器將被測(cè)物體的振動(dòng)位移轉(zhuǎn)換為兩個(gè)電容極距的變化，再轉(zhuǎn)換為電容量的變化。3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容式濕度傳感器介質(zhì)膜吸濕后其介電常數(shù)發(fā)生變化，電容值隨之發(fā)生變化。3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容式位移傳感器通過(guò)改變電容器極板間的距離引起電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容式液位計(jì)測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位計(jì)3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容式液位計(jì)測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的電容式液位計(jì)

容器為金屬材質(zhì)3.3電容式傳感器的典型應(yīng)用電容式油料液位計(jì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油狀態(tài)傳感器電容傳感器1為油位傳感器電容傳感