44電容式傳感器PPT學習教案

1、會計學144電容式傳感器電容式傳感器21.掌握電容式傳感器的類型（根據(jù)工作原理）、特點及其應(yīng)用；2.了解電容式傳感器的測量電路；3.了解電容式傳感器的特點；4.了解電容式傳感器的應(yīng)用第1頁/共31頁31. 工作原理及類型用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當忽略邊緣效應(yīng)時其電容C為：A、A或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。變面積型電容式傳感器變極距型變介質(zhì)型0AC 第2頁/共31頁4（1） 極距變化型變極距型傳感器常常是一塊極板固定而使另一塊極板移動，從而改變極距以引起電容的變化。+因此電容器傳感器的靈敏度為： 02ACS 靈敏度與極距的平方值成反比，極距越小時靈敏度越高。為減小非線性誤差，該類

2、傳感器通常用于測量微小位移。0AC 02AC 第3頁/共31頁5n為減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作以便獲得近似的線性關(guān)系。一般取極距變化范圍為n減小可以提高靈敏度。但過小易導(dǎo)致電容器擊穿?？稍跇O間加一層云母片或塑料膜來改善電容器耐壓性能。02ACS 0.1 第4頁/共31頁6為提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等），常采用差動式結(jié)構(gòu)。在零點位置上設(shè)置一個可動的接地中心電極，它離兩塊極板的距離均為第5頁/共31頁7設(shè)可動極板上移 ，則 增大， 減小。1C23100000011()()1CCC23200001()()CC電容的總變化量為：002C

3、C靈敏度為：002CCS可見，采用差動式電容傳感器，靈敏度提高一倍，非線性得到改善。變極距型差動電容傳感器2C31200022()CCCC第6頁/共31頁8（2） 面積變化型0AC 第7頁/共31頁9A ) 角位移式電容傳感器可見，電容值與角位移 呈線性關(guān)系。22rA202rC 此時，傳感器的靈敏度k為：202dCrkd 常數(shù)當兩極板相對角位移為 時，第8頁/共31頁10B ) 直線位移式電容傳感器當兩極板相對距離為x時，電容量：傳感器的靈敏度為：0 xdCbkdx 常數(shù)0 xbxC 第9頁/共31頁11C ) 圓柱體線位移式電容傳感器隨動板圓柱的位移，定板圓柱與動板圓柱之間的覆蓋面積發(fā)生變化

4、，從而電容量發(fā)生變化。02ln()xCD d 兩個同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：x當覆蓋長度變化時，02ln()CkxD d 常數(shù)通過A）B）C）的分析可得出結(jié)論：變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即具有良好的線性，但靈敏度較變極距型低。大多數(shù)用來檢測較大直線位移及角位移等參數(shù)。變面積式電容傳感器也采用差動形式，可使靈敏度提高一倍。第10頁/共31頁12（3） 介質(zhì)變化型當電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。這類傳感器常用做檢測容器中片狀材料的厚度、液面高度等，也可用來測量介質(zhì)材料的濕度、介電常數(shù)等。A ) 電容測厚儀C0C1C0101C CCCC這

5、種傳感器的電容量等于兩個電容 和 相串聯(lián)0C1C0AC 第11頁/共31頁130010101000010111011011AAC CAACAACC 此時 為空氣相對介電常數(shù)， 為待測體的相對介電常數(shù)，當厚度 不變時，此電容傳感器可作為介電常數(shù)測量儀。011 如果待測體的介電常數(shù) 不變時，可作測厚儀使用。10101C CCCC10第12頁/共31頁14B ) 電容液面計兩個同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：這類傳感器常常采用同軸圓筒電極組成的電容器作為測量裝置。02ln()hCD d 第13頁/共31頁15設(shè)容器中介質(zhì)是不導(dǎo)電液體（如果是導(dǎo)電液體，則電極需絕緣）總的電容 相當于上方氣體介質(zhì)間

6、的電容量 和液體介質(zhì)間電容量 之和（相并聯(lián)）。022021122()ln(/)ln(/)hhhCD dD d 01 122ln(/)hCD d 1C2CC02101 1120201212()2ln(/)ln(/)22()ln(/)ln(/)hhhCCCD dD dhhD dD d AK1KhAC可見，同軸圓筒電容傳感器的電容量與液位成線性關(guān)系。C1CC221CCC第14頁/共31頁16電容式傳感器的電容值一般十分微小，不便于直接顯示、記錄和傳輸。因此，必須借助于測量電路檢測出這個微小的電容變量，并轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。2. 電容式傳感器的測量電路與電容式傳感器配用的測量電路很多，常用的有

7、橋式電路、調(diào)頻振蕩電路、運算放大器式電路和脈沖調(diào)寬型電路等幾種。 第15頁/共31頁17（一） 交流電橋Ui交流放大器相敏檢波器低通濾波器Z1Z2Z3Z4SCUE電容傳感器阻抗第16頁/共31頁18電橋初始平衡條件：3241ZZZZ0SCU當被測參數(shù)引起傳感器阻抗變化 時，ZEZZZZZZZZUSC)(433211代入初始平衡條件，化簡：EZZZZZZUSC221211)1()(1SCZUZ對于電容傳感元件來說，有如下關(guān)系：111ZCdZCd第17頁/共31頁19Cr1Cr2USCU第18頁/共31頁20（二） 調(diào)頻振蕩電路這種電路是把電容傳感器作為振蕩器電路的一部分，當被測量變化而使電容量發(fā)

8、生變化時，能使振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的電容調(diào)制故稱為調(diào)頻電路。這種電路具有抗干擾性強，靈敏度高等優(yōu)點；但缺點是電纜電容的影響較大。第19頁/共31頁21（三） 運算放大器電路當運放的輸入阻抗很高，增益很大時，認為輸入電流 ，則0I00yxuCuC 000yCuuA 從原理上解決了使用單個變間隙型電容傳感器輸出特性的非線性。該電路要求固定電容 必須穩(wěn)定，信號源電壓必須采取穩(wěn)壓措施0C0I第20頁/共31頁22（四）脈沖調(diào)寬型電路該電路由比較器A1 A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。C1、C2為差動電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端A、B作為差動脈沖寬度調(diào)制電路的輸

9、出，為寬度受C1、C2調(diào)制的方波脈沖。特點：1. 不需要附加調(diào)制器即能獲得直流輸出；2. 輸出信號一般為100kHz1MHz的矩形波，所以直流輸出只需要經(jīng)過低通濾波器簡單引出；第21頁/共31頁23（一）電容測厚儀 當被軋板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則 發(fā)生變化。 增大，表示板材厚度變厚； 減小，表示板材厚度變薄。 的變化經(jīng)過電橋調(diào)節(jié)后，由耦合電容輸出給運放進行放大，再經(jīng)過整流濾波和差動放大后，一方面由顯示儀表讀出板材厚度，一方面通過反饋回路將偏差信號送給壓力調(diào)節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。xCxCxCxC第22頁/共31頁24（二）電纜偏心測量 圖為測量電纜芯的偏心原理圖，在實際應(yīng)

10、用中是用兩對電容傳感器，分別測出在x方向和y方向的偏移量，再經(jīng)計算得出偏心值。 第23頁/共31頁25（三）電容式壓力傳感器 它由金屬彈性膜片與鍍金凹型玻璃圓片組成。當被測壓力P通過過濾器進入空腔時，由于彈性膜片兩側(cè)的壓力差，使彈性膜片凸向一側(cè)，產(chǎn)生位移，該位移改變兩個鍍金玻璃圓片與彈性膜片間的電容量。第24頁/共31頁2600CCCCCAAL00CCCCCAAHACC ,0如何求？第25頁/共31頁27對于一個球面平面型電容器，在忽略邊緣效應(yīng)時，可用單元積分法求出ACC ,0)(ln8.100pFddRCbr2220ln4baaPPRCLHrA第26頁/共31頁28上述差動式電容傳感器配置二極管環(huán)行檢波電路，即可輸出（420）mA標準電流信號。00CCCCCAAL00CCCCCAAH穩(wěn)幅放大器比例放大器恒壓恒流源電流轉(zhuǎn)換器第27頁/共31頁29FFBHLHLFSCRURUCCCCRRII0將兩差動電容值代入二極管環(huán)行檢波電路輸出電流表達式，得到：FFBAFSCRURUCCRRI