傳感器與檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器重點(diǎn)

1、檢測(cè)技術(shù)電子與信息工程學(xué)院 主講人：赫健第5章電容式傳感器主要介紹三方面內(nèi)容:1. 工作原理2. 測(cè)量電路3. 典型應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量 的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。最常用的形式是由兩個(gè)平行 電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的 電容器（如圖5.1）。若忽略邊緣 平板電容器的電容為廠 _ c:rAC =介從圖5.1平板電容器電極板為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，A為兩極板互相覆蓋的有效面積，為兩極板之間的距離.d、4、占三個(gè)參數(shù) 中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理一.變面積型1、線位移變面

2、積型常用的線位移變面積型電容式傳感器有平板狀和筒 狀兩種結(jié)構(gòu)。（町甲板狀的角狀圖52線位移變面積型檢測(cè)扌支術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理平板狀設(shè)兩極板覆蓋面積為A,當(dāng)其中一塊沿x方向移動(dòng)時(shí)A值發(fā)生變化，電容量C也隨之改變。C = C7C 亠 SWd其中C嚴(yán)迪空AC =h圖53平板狀電容的相對(duì)變化量為u= vCo u檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理筒狀當(dāng)動(dòng)極板圓筒沿軸向移動(dòng)心時(shí), 兩極板圓筒的覆蓋面A隨著變化，則 導(dǎo)致兩極板間電容量發(fā)生改變。Ay/-AyRAjt2 疋(0)_2知(1-丁)2ln，?r圖54筒狀e 一 錄 一 & 一 In ACCo =/電容的相對(duì)變量為檢測(cè)技術(shù)第5章

3、電容式傳感器5.1工作原理2、角位移變面積型當(dāng)角位移變化時(shí)，兩極板的覆蓋圖55角位移式面4也隨著變化，則導(dǎo)致兩極板間電 容量發(fā)生改變。當(dāng)時(shí)，初始電容量為C（）=2字。64）（1-一）QC =心二）當(dāng)。癥0時(shí)，電容量為d所以，/C = Co C = Co 兀檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理二.變介質(zhì)型因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的介電常數(shù)不 同，當(dāng)它們之間的介電常數(shù)發(fā) 生變化時(shí)，電容量C也隨之改變。_ 2兀_h) _ 2?O(77 /?)5 =lnDdin dC _2兀hlnDdD圖5.6 B1柱式H檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理未注入液體時(shí)的初始電容為C。= 2駕H = 込H注入液體時(shí)的電容

4、為In In dd2tt80(H -h) 2兀Qh2加?0(1”7C = G +c2 =F；+ =Co +dIn d電容值的變化正比于被測(cè)液位高度，因此，電容傳感器可以用來測(cè)量一種流體的液位高度。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理2、平板式fro 0, 2乙()圖5.7平板式電容量與電介質(zhì)的移動(dòng)量厶成線性關(guān)系?？捎脕頊y(cè) 量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測(cè)量糧食、紡織 器、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理三.變極距型1、工作原理1定極仮極板1固定不動(dòng)，極板2可 動(dòng)，當(dāng)極板2受被測(cè)量變化引起 移動(dòng)時(shí)，就改變了極板間的距圖5.8變極/巨型離，從而使電容

5、量C發(fā)生變化。設(shè)極板2未動(dòng)時(shí)的電容量為C =警4當(dāng)極板2移動(dòng)后，電容量為C = C0+AC =%/ _C（）d0-/d “檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理如果乎1時(shí)，則按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開，可得C = C0+AC = C0l + +A2+()3+.作線性處理,忽略高次非線性項(xiàng)，可得AC = AJ()通過分析可知，云母片增加靈敏度；極板間距范圍：rf() 1mm, /d ()/1 ()。 變極距型電容傳感器測(cè)微米級(jí)位移； 變面積型電容傳感器測(cè)厘米級(jí)位移。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理2、非線性分析C = C04-AC = C0l+4-（半）2 + （學(xué)）3 + 竺=乂1 +乞+（乞尸

6、+G）d0線性化處理可得,檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理t AC AJZ1AJ 0、r.如果 K = （l + ）= +（）,則 C（）（） o do （）相對(duì)非線性誤差為，因此，為了提高靈敏度又減小非線性誤差，通常釆用差 動(dòng)結(jié)構(gòu)。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.1工作原理w；_。初始時(shí)兩電容器極板間距罰占 6 為必，初始電容量為&0/圖5.9差動(dòng)式當(dāng)中間的動(dòng)極板上移/時(shí)，d=dM心=厶+加，G = G = 1 +字+ （字尸+ （字尸+1_竺厶厶 L -j限緬 笠尖三放大 希出圖510調(diào)頻電略振蕩器的震蕩頻率為/ =,其中C = C0AC2 兀 J LC當(dāng)沒有被測(cè)信號(hào)時(shí)，AC = O

7、 ,則人=12兀(LC。當(dāng)有被測(cè)信號(hào)時(shí)，AChO ,則/ =檢測(cè)扌支術(shù)第5章電容式傳感器5.2測(cè)量電路7Co+AC二.變壓器式交流電橋z = . jC y(C0+AC)匕Tg (c0-ac)12圖511變壓器電橋測(cè)走電路則0二5 z 5=乙一乙5-55嚴(yán)5 Z, +Z2 22 Z, +Z2 2 C, +C2 2 Co 2檢測(cè)技術(shù)三.運(yùn)算放大器1由電路分析可知，圖5.12運(yùn)算放大器電路1第5章電容式傳感器5.2測(cè)量電路設(shè)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù) K-8,圖5.12中0點(diǎn)為“虛地”， 且運(yùn)算放大器的輸入阻抗為Zj=oo, 因此 O / =0圖5.13差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路檢測(cè)技術(shù)S Q 雙穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器R Q

8、Ri C】卒第5章電容式傳感器5.2測(cè)量電路四、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器 電容的充放電使電 路輸出脈沖的寬度 隨傳感器電容量變 化而變化。通過低 通濾波器得到對(duì)應(yīng) 被測(cè)量變化的直流 信號(hào)。電路原理圖 如圖513所示。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.2測(cè)量電路根據(jù)電路知識(shí)可知:U入、/一人點(diǎn)和點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量;7、幾一分別為C和C?的充電時(shí)間； 匕一惑發(fā)器輸出的高曲位。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.2測(cè)量電路A. B兩點(diǎn)間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得, 等于乩兩點(diǎn)電壓平均值匕與乙之差，即設(shè)/?1=心乩則說明差動(dòng)脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳 感器兩電容差值成正比。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感

9、器5.2測(cè)量電路對(duì)于差動(dòng)式變極距型電容傳感器：匕二 一仏Li當(dāng) C=C*2=Co（即=6?2=（）時(shí)，/=0；當(dāng)CjC2時(shí)，則 d嚴(yán)dAJ、二d+M,則+ /W、d2 =dQ-Sd、則d檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.2測(cè)量電路對(duì)于差動(dòng)式變面積型電容傳感器：鴿尹當(dāng) C|=C2=C0(1=A2=Ao)時(shí)，l/o=O;當(dāng)Cjc2時(shí)，則 4=a)+za. a2 = a)-aa,則AA當(dāng)Cic2時(shí)，則 4=4)-/、則AA5 = 5A)可見差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容 傳感器，并具有理論上的線性特性。檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.3典型應(yīng)用一、差動(dòng)電容式壓力傳感器 圖514中所示為一個(gè)膜片 動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電 鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電 容器。當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作 用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí)， 形成的兩個(gè)電容器的電容量， 一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容 值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與 壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或外兗Pl 凹形玻璃(動(dòng)極板)圖5.14差動(dòng)電容式壓力傳感器電壓的變化。檢測(cè)扌支術(shù)第5章電容式傳感器5.3典型應(yīng)用二.電容式測(cè)厚儀圖515電容式測(cè)厚儀檢測(cè)技術(shù)第5章電容式傳感器5.3典型應(yīng)用電容式測(cè)厚儀用于測(cè)量金屬帶材在軋制過程中 的厚度的在線檢測(cè)儀器。在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各設(shè)置一