第五章、電容式傳感器

1、電感式傳感器的感測量：電感式傳感器的感測量：位移、力、加速度、液位、成分含量等。電感式傳感器的種類：電感式傳感器的種類： 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：變極距型、變面積型和變介質(zhì)型。第第5章章 電容式傳感器電容式傳感器 （1）受本身發(fā)熱影響小 （2）靜態(tài)引力小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 （4）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng) （5）可以進(jìn)行非接觸式測量電感式傳感器的特點(diǎn)電感式傳感器的特點(diǎn)（1）輸出阻抗較高、帶負(fù)載能力差（2）寄生電容影響大第第5章章 電容式傳感器電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路5.4

2、電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 5.1.1 電容式傳感器的基本原理電容式傳感器的基本原理5.1.2 電容式傳感器基本類型電容式傳感器基本類型5.1.3 電容式傳感器的特性電容式傳感器的特性5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.1.1 電容式傳感器的基本原理電容式傳感器的基本原理d d極板極板1極板極板2 電容式傳感器是利用將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來實(shí)現(xiàn)對物理量的測量。廣泛用于位移、角度、速度、力、成份分析、介質(zhì)特性等方面的測量。平板電容器，不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)電容量為平板電容器，不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)電容量為待測量改變一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)的變化可轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測

3、量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。5.1.2 電容式傳感器基本類型及特性電容式傳感器基本類型及特性（1）變極距式）變極距式（2）變面積式）變面積式（3）變介電常數(shù)式）變介電常數(shù)式d d極板極板1極板極板2(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)為變面積型(a)和(e)為變極距型 (i) (l)則為變介電常數(shù)型變極距式傳感器的測量范圍、靈敏度及線性度相矛盾，因此，一般應(yīng)用于微位移測量。一、變極距式電容傳感器一、變極距式電容傳感器d d定極板定極板動(dòng)極板動(dòng)極板為了減小非線性誤差，實(shí)際測量中廣泛采用差動(dòng)變極距式電容傳感器。 電容傳感器的靈敏度為差動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）改善線性、提高靈敏度外；（2

4、）補(bǔ)償溫度變化、電源頻率變化等的影響，從而減少了外界影響造成的誤差。 d0減小可以使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì), 此時(shí)電容C變?yōu)椋篸 d定極板定極板動(dòng)極板動(dòng)極板二、變面積型電容傳感器二、變面積型電容傳感器兩種常用變面積型電容傳感器：兩種常用變面積型電容傳感器：線位移式和角位移。線位移式和角位移。DdLa三、變介質(zhì)型電容傳感三、變介質(zhì)型電容傳感器器1、單組平板厚度式電容傳感器、單組平板厚度式電容傳感器dx設(shè)固定極板長度為a、寬度為b、兩極板間的距離為d；被測物的厚度和介電常數(shù)分別為dx和, 則傳感器的電容量

5、與被測量物體的厚度和介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)介電常數(shù)一定時(shí)，通過傳感器電容量的變化測量物體的厚度。 2 2、單組平板位移式電容傳感器、單組平板位移式電容傳感器 電容量與位移呈線性關(guān)系電容量與位移呈線性關(guān)系設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，變換器電容值為 變換器的電容增量正比于被測變換器的電容增量正比于被測液位高度。液位高度。3、測量液位圓筒式電容傳感器、測量液位圓筒式電容傳感器 C2C1C第第5章章 電容式傳感器電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳

6、感器測量電路電容式傳感器測量電路5.4 電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)，電容式傳感器的等效電路。根據(jù)等效電路，電容根據(jù)等效電路，電容式傳感器有一個(gè)諧振頻率，式傳感器有一個(gè)諧振頻率，通常為幾十兆赫。當(dāng)工作通常為幾十兆赫。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞傳感器時(shí)，諧振頻率破壞傳感器正常作用。因此，工作頻正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率。率應(yīng)該選擇低于諧振頻率。 并聯(lián)損耗電阻Rp：表示極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。串聯(lián)損耗電阻Rs：引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。電感L：

7、電容器的寄生電感和外部引線電感。 第第5章章 電容式傳感器電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路5.4 電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 5.3 電容式傳感器測量電路電容式傳感器測量電路 與電感傳感器不同，電容傳感器中電容值和電容變化量都十分微小，難以直接為儀表所顯示和記錄。 因此，需要一些測量電路檢測出電容的微小變化量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓、電流或頻率輸出。 調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器電路、二極管雙T形交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。常用測量電路：一、調(diào)頻式測量電路一、調(diào)

8、頻式測量電路Cxf振蕩器uf限幅放大器uL鑒頻器電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分, 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。鑒頻器解決了f的非線性問題，并將f轉(zhuǎn)化為了u。二、運(yùn)算放大器測量電路二、運(yùn)算放大器測量電路 運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)大，輸入阻抗高, 可作為電容式傳感器的理想測量電路。 測量電路輸出電壓的相位與電源電壓的反相。幅值與極板間距離成線性關(guān)系。三、二極管雙三、二極管雙T T形交流電橋形交流電橋 e為高頻電源，提供了幅值為U的方波，VD1、VD2為完全相同的兩只二極管，R1、R2相等，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。 1.傳感器沒有輸入時(shí)C1=C2一個(gè)T內(nèi)流

9、過RL的平均電流為零。2.傳感器有輸入時(shí)C1C2一個(gè)T內(nèi)流過RL的平均電流不為零線路簡單，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、幅值影響靈敏度，要求高度穩(wěn)定；輸出阻抗與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式傳感器。四、脈沖寬度調(diào)制測量電路四、脈沖寬度調(diào)制測量電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，通過對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，被測量的變化轉(zhuǎn)換為直流信號輸出。Cx1、Cx2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容；若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，

10、Ur為其參考電壓。四、脈沖寬度調(diào)制測量電路四、脈沖寬度調(diào)制測量電路 對差動(dòng)變極距型平行板電容傳感器有同理，變面積型電容傳感器則 因此，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路適用于差動(dòng)電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。 電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；無元件線性要求；經(jīng)低通濾波器可輸出大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。四、脈沖寬度調(diào)制測量電路四、脈沖寬度調(diào)制測量電路第第5章章 電容式傳感器電容式傳感器 5.1 電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器等效電路電容式傳感器等效電路5.3 電容式傳感器測量電路電容式傳感

11、器測量電路5.4 電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 5.4 電容式傳感器應(yīng)用電容式傳感器應(yīng)用 一、電容式壓力傳感器一、電容式壓力傳感器P差動(dòng)型電容式壓力/壓差傳感器：當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。 二、電容式稱重傳感器二、電容式稱重傳感器基本原理：利用彈性敏感元件受壓后變形，引起電容隨外加重量的變化而變化。絕緣材料定極板動(dòng)極板極板支架彈性體稱重時(shí)，彈性元件受力變形，動(dòng)極板發(fā)生位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化。F在彈性鋼體上高度相同處打一排孔，在孔內(nèi)形成一排平行的平板電容。在電路上各電容是并聯(lián)的，輸出反映的結(jié)果是平均作用力的變化，測量誤差大大減?。ㄕ`差平均效應(yīng)）。三、電容式加速度傳感器三、電容式加速度傳感器基本結(jié)構(gòu)：兩個(gè)固定極板間有一個(gè)用彈簧片支撐的質(zhì)量塊