第四章_電容式傳感器.ppt

1、2020/7/31，1，第4章電容式傳感器，2020/7/31，2，引言電容式傳感器是一種將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化的傳感器。結(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，非接觸測量，可在高溫、輻射和強(qiáng)振動等惡劣條件下工作。一種很有前途的傳感器。2020/7/31，3，4.1電容式傳感器的工作原理。如果不考慮邊緣效應(yīng)，由兩個平行金屬板組成的平板電容器的電容可以僅通過改變其中一個參數(shù)而改變?yōu)殡娙莸淖兓?，該參?shù)可以通過測量電路轉(zhuǎn)換為電容的變化。電容式傳感器的工作模式可分為三種：變極距型、變面積型和變介電型。2020/7/31，4，4.1可變面積電容式傳感器。可變面積電容傳感器的極距和介質(zhì)在工作過程中保持不變，測得的變

2、化會改變其有效有效面積?？勺兠娣e電容傳感器的兩個極板中的一個是固定的，稱為固定極板，另一個是可移動的，稱為移動極板。2020/7/31，5，面積可變電容傳感器原理，1。線性位移類型，2020/7/31，6，面積可變電容傳感器原理，2。角位移型，其中電容隨角位移線性變化、2020/7/31，8，面積可變電容簡化：近似線性關(guān)系，擊穿問題，一般電極板之間的距離在25200um以內(nèi)，最大位移應(yīng)小于距離的十分之一，因此該電容式傳感器主要用于微位移測量。2020/7/31，12，差動結(jié)構(gòu)，提高了測量精度，減少了由于移動板和固定板之間相對極距的可能變化而引起的測量誤差。差分、靈敏度加倍和線性度提高的好處。在

3、2020/7/31、14、4.1.3中，可變介電電容傳感器的極距和有效作用面積保持不變，測得的變化改變了其極板間的介電條件。主要用于測量兩板之間介質(zhì)的一些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。2020/7/31，15，中等變化的電容傳感器結(jié)構(gòu)，1。位移類型，2020/7/31，16，中等變化的電容傳感器結(jié)構(gòu)，2。液位類型，可變介質(zhì)電容傳感器，電容增量與被測液位高度成線性關(guān)系、2020/7/31、18當(dāng)電容傳感器處于初始位置時，電橋平衡，電橋輸出電壓；當(dāng)測量的變化導(dǎo)致電容傳感器的電容變化時，電橋失去平衡，電橋有電壓輸出，即2020/7/31、19、4.2。常用電路包括：橋式電路、運(yùn)算放大器測

4、量電路、脈沖調(diào)制電路和調(diào)頻電路。1.橋式電路。2020/7/31，20，4.2電容式傳感器的測量電路，1。為了提高靈敏度和減少誤差，橋式電路中經(jīng)常使用差分電路，其電路如圖所示。Cx1和Cx2代表差分電容傳感器的兩個電容。變壓器交流電橋、2020/7/31、22、4.2電容式傳感器的測量電路，1。橋式電路-橋式測量電路框圖，2020/7/31，23，4.2電容式傳感器測量電路，2。二極管雙丁字交流電橋的原理如圖4-12所示。圖中，C1和C2為差動電容傳感器的電容，RL為負(fù)載電阻，VD1和VD2為理想二極管，R1和R2為固定電阻。e是一種高頻電源，提供幅度為Ue的對稱方波。二極管雙T交流電橋，當(dāng)傳

5、感器沒有輸入時，C1C2一個周期內(nèi)流經(jīng)負(fù)載的平均電流為0，當(dāng)傳感器有輸入時，C1！C2、2020/7/31、25、4.2電容式傳感器的測量電路，3。運(yùn)算放大器測量電路運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是放大倍數(shù)很大，輸入阻抗也很大。理想運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和輸入阻抗是無限的。運(yùn)算放大器的這些特性可以作為電容傳感器的測量電路，解決單個變極距電容傳感器的非線性問題。運(yùn)算放大器測量電路如圖所示。在圖中，c是總輸入電容，Cx是電容傳感器。運(yùn)算放大器、平板電容：輸出電壓與輸入位移之間存在線性關(guān)系、2020/7/31、27、4.2電容傳感器測量電路、4 .調(diào)頻電路：將電容傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分，部分電路如圖所示。

6、當(dāng)被測電容發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，然后頻率變化被鑒頻器轉(zhuǎn)換成幅度變化，放大后由儀器顯示出來。調(diào)頻電路靈敏度高，可測量0.01米的位移變化，易于用數(shù)字儀器測量，并能與計算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。調(diào)頻電路、2020/7/31、29、4.2電容式傳感器的測量電路、5。諧振電路：振蕩器通過L1和C1電路為頻率選擇提供穩(wěn)定的高頻信號，然后通過電感耦合到LCx諧振電路。當(dāng)傳感器電容Cx改變時，諧振回路的阻抗將改變，這種改變將改變整流器的電流。在改變的電流被放大器放大后，測量的變化可以被儀器顯示。諧振電路靈敏度高，但工作點(diǎn)不易選擇，變化范圍窄。2020/7/31，30，4.2電容式傳感器的測量電

7、路，6。脈寬調(diào)制電路、脈寬調(diào)制電路、變極距型：變面積型：差動脈寬調(diào)制電路適用于變板距和變面積差動電容式傳感器，并具有線性特性。2020/7/31，33，4.3電容傳感器的誤差和制造要求，4.3.1電容傳感器的誤差系數(shù)1。溫度的影響。寄生電容的影響。泄漏電阻的影響，2020/7/31，34，4.3電容傳感器的誤差和制造要求，4.3.2電容目的是降低輸出阻抗和對絕緣材料的要求，提高靈敏度。(2)使用介電常數(shù)大的介電材料。(3)電極應(yīng)選用膨脹系數(shù)小的材料。目的是減少額外的溫度誤差。(4)供電頻率不應(yīng)太低。目的是降低輸出阻抗并提高靈敏度。一般不應(yīng)低于5001000赫茲。(5)傳感器和導(dǎo)線應(yīng)屏蔽。目的是

8、消除寄生電容的影響，提高靈敏度。電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器不僅用于精確測量機(jī)械量，如位移、振動、角度、加速度和負(fù)載，還廣泛用于測量參數(shù)，如壓力、壓差、液位、料位、濕度和部件含量。2020/7/31，36，4.4.1電容式壓力傳感器，將測量壓力引起的彈性元件的位移變化轉(zhuǎn)化為電容變化，實現(xiàn)測量。2020/7/31，37，4.4.2電容式加速度傳感器，將被測物體的振動轉(zhuǎn)化為電容的變化。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-19所示。2020年7月31日、38日、4.4.3日，電容式濕度傳感器通過改變傳感器的介電常數(shù)引起電容的變化。2020/7/31，39，4.4.4電容式負(fù)載傳感器，其利用彈性元件的變形，使得電容

9、隨著所施加負(fù)載的變化而變化。2020/7/31，40，4.4.5電容式厚度傳感器，1。電容式測厚儀，2020/7/31，41，4.4.5電容式厚度傳感器，2020/7/31，42，4.4.6電容式厚度傳感器通常采用單極可變極距型。2020/7/31，43，4.5電容式網(wǎng)格傳感器，是在電容式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳感器。它具有電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然，它也有自己的特點(diǎn)，如抗干擾能力強(qiáng)，精度高，測量范圍大。，2020/7/31，44，4.5.1基本類型和原則，1?；绢愋秃驮瓌t，2020/7/31，45，4.5.1基本類型和原則，2。電容柵板的結(jié)構(gòu)形式，(a)移動標(biāo)尺，2020/7/31，2

10、020/7/31，47，4.5.2測量電路。電容柵傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相測量電路獲得調(diào)幅或調(diào)相信號。2020/7/31，48，附件：電容式接近開關(guān)，1個檢測極板2填充樹脂3測量轉(zhuǎn)換電路4塑料外殼5靈敏度調(diào)節(jié)電位器6工作指示燈7信號電纜，2020/7/31，49，工作過程(1)，檢測極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端，測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)外殼內(nèi)，填充環(huán)氧樹脂，介電損耗小當(dāng)檢測器附近無物體時， 檢測器板和地之間的電容很小，它形成一個電感為1的高品質(zhì)因數(shù)的液晶振蕩電路。 當(dāng)被測物體是具有地電位的導(dǎo)體時(如人體和液體與地的分布電容較大等)。)，檢測板對地的電容C增加，并且液晶振蕩電路的Q值將降低，導(dǎo)致振蕩器停止振動。2020/7/31，50，工作過程(2)，當(dāng)未接地和絕緣的物體靠近檢測板時，由于高頻電壓被施加到檢測板，在檢測板附近產(chǎn)生交變電場，物體將受到靜電感應(yīng)，導(dǎo)致極化現(xiàn)象和正負(fù)電荷的分離，從而增加檢測板對地的等效電容并降低液晶振蕩電路的Q值。