Ch-3.4-電容式傳感器(第三版)解析.ppt

1、上節(jié)內(nèi)容回顧,1、電渦流傳感器的工作原理,：渦流效應(yīng),2、電渦流傳感器的分類,3、電渦流傳感器的應(yīng)用,：位移、振幅、厚度、轉(zhuǎn)速等,本章主要內(nèi)容,電容式傳感器的工作原理和主要性能 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 電容式傳感器等效電路 電容式傳感器測(cè)量電路 電容式傳感器的應(yīng)用,3.3.1 電容式傳感器的工作原理,1. 工作原理及類型 2. 變極距型電容式傳感器 3. 變面積型電容傳感器 4. 變介電常數(shù)型電容傳感器,什么是電容器？,電容器有兩個(gè)用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真空隔開的電導(dǎo)體構(gòu)成。,電容,導(dǎo)體上的電荷,導(dǎo)體之間的電壓差,電容器式傳感器是一種將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器,？,1.

2、 工作原理,兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:,當(dāng)被測(cè)量、A或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)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。,？,電 容 式 傳 感 器,極距變化型電容傳感器,面積變化型電容傳感器,介質(zhì)變化型電容傳感器,圓筒形極板電容器,它的電容量為:,2. 變極距型電容傳感器,2. 變極距型電容傳感器,若極距縮小,非線性隨極板間距的減小而增大,2. 變極距型電容傳感器,提高靈敏度 應(yīng)減小間距,電容器擊穿,非線性誤差增大,：在極板間放置云母片,：采用差動(dòng)型,靈敏度隨極板間距的減小而增大,2. 變極距型電容傳感器,差動(dòng)型,2. 變極

3、距型電容傳感器,3. 變面積型電容傳感器,3. 變面積型電容傳感器,傳感器靈敏度,直線位移型,靈敏度為常數(shù),(1) 板狀線位移變面積型,傳感器靈敏度,角位移型,靈敏度為常數(shù),3. 變面積型電容傳感器,(2)角位移變面積型,3. 變面積型電容傳感器,(3)筒狀線位移變面積型,3. 變面積型電容傳感器,（4）差動(dòng)結(jié)構(gòu)變面積型,4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器,4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器,插入板料厚度和極板間距相等,4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器,插入板料厚度為d,4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器,初始電容,電容式液位傳感器,3.3 電容式傳感器,3.3.1 電容式傳感器的工作原理 3.3.2 電容

4、式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 3.3.3 電容式傳感器等效電路 3.3.4 電容式傳感器測(cè)量電路 3.3.5 電容式傳感器的應(yīng)用,3.3.2 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 2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量,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(cè)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(cè)量。 介質(zhì)損耗小，可

5、以用較高頻率供電 系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)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)106108。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(cè)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(cè)量精度,2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn),減小環(huán)境溫度濕度

6、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、濕度誤差、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(cè)量電路來(lái)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(zhǎng)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

7、可能限制測(cè)量范圍,等位環(huán) 結(jié)構(gòu),帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理 1、2 電極 3等位環(huán),(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,(5)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,3.3 電容式傳感器,3.3.1 電容式傳感器的工作原理 3.3.2 電容式傳感器主要性能 3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 3.3.

8、4 電容式傳感器等效電路 3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路 3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.3.7 容柵式傳感器,低頻等效電路,傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略 等效電容C=C0+Cp， 等效電阻ReRg,高頻等效電路,電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略 ，其中C=C0+Cp，而rer,由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫， 容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為,當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨變化而變化。,3.3 電容式傳感器,3.

9、3.1 電容式傳感器的工作原理 3.3.2 電容式傳感器主要性能 3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 3.3.4 電容式傳感器等效電路 3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路 3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.3.7 容柵式傳感器,3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路,(1) 調(diào)頻電路,(1) 調(diào)頻電路,振蕩回路固有電容,引線分布電容,傳感器電容,當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，,當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為,具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01m級(jí)位移變化量 易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng),(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

10、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(hào),運(yùn)算放大器式電路原理圖,(2)運(yùn)算放大器式電路,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。,(3)二極管雙T型電路,電源為正半周 D1短路 D2開路， 電容C1被充電 影響不予考慮， 電容C2的電壓 初始值為UE,電路的特點(diǎn) :,線路簡(jiǎn)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； 電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定； 輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容

11、式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)； 適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器 。,3.3 電容式傳感器,3.3.1 電容式傳感器的工作原理 3.3.2 電容式傳感器主要性能 3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 3.3.4 電容式傳感器等效電路 3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路 3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.3.7 容柵式傳感器,3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用,(1) 電容式差壓傳感器 (2) 電容式振動(dòng)位移傳感器 (3) 電容式加速度傳感器,電容式差壓傳感器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms) 能測(cè)微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力 需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空

12、(10-5Pa)即可,電容式位移傳感器應(yīng)用,1、5 固定極板 2殼體 3簧片 4 質(zhì)量塊 6 絕緣體 精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度,電容式加速度傳感器,電荷平衡式位移傳感器,可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例 已在類似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工具中應(yīng)用。,3.3 電容式傳感器,3.3.1 電容式傳感器的工作原理 3.3.2 電容式傳感器主要性能 3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 3.3.4 電容式傳感器等效電路 3.3.5 電容式傳感器測(cè)量電路 3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用 3.3.7 容柵式傳感器,3.3.7 容柵式傳感器,(1) 基本類型及工作原理 (2) 容柵傳感器電極的結(jié)構(gòu)形式,(1) 基本類型及工作原理,長(zhǎng)容柵 圓容柵,片狀 柱狀,長(zhǎng)容柵,n動(dòng)尺柵級(jí)片數(shù) a , b柵極片長(zhǎng)度和寬度,柱狀圓容柵,r2 , r1 圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑 a 每條柵極片對(duì)