自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課件2

第四章電容式傳感器及其信號(hào)調(diào)理目錄

4.1電容式傳感器的工作原理4.2電容式傳感器的傳感特性4.3電容式傳感器的等效電路4.4電容式傳感器的信號(hào)調(diào)理4.5電容式傳感器的典型應(yīng)用舉例電容式接近開(kāi)關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器4.1電容式傳感器的工作原理4.1.1傳感原理：由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為——極板面積(m2)；——極板間距離(m)；——真空介電常數(shù)，——介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

圖4-1平行板電容器4.1.2基本結(jié)構(gòu)電容式傳感器可分為變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種。圖4-2變間隙式電容傳感器圖4-3變面積式電容傳感器示意圖θ動(dòng)片定片角位移式圖4-4變介電常數(shù)式電容傳感器示意圖目錄4.1電容式傳感器的工作原理4.2電容式傳感器的傳感特性4.3電容式傳感器的等效電路4.4電容式傳感器的信號(hào)調(diào)理4.5電容式傳感器的典型應(yīng)用舉例4.2.1變間隙型電容傳感器當(dāng)εr和S為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)4.2傳感特性設(shè)動(dòng)極板2位移，參考方向?yàn)橄蛏线\(yùn)動(dòng)，即動(dòng)極板2上移，動(dòng)極板2下移，。則電容量為按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)近似為靈敏度但d0過(guò)小，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)。放置云母片的電容器差動(dòng)電容傳感器:當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，取其電容差值4.2.2變面積式電容式傳感器

當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移ΔS時(shí)，則電容變化量為靈敏度為

很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線性關(guān)系。

變面積型電容傳感器原理圖

電容式角位移傳感器原理圖4.2.3變介質(zhì)式電容式傳感器

面積S與介電常數(shù)的位置是等價(jià)的，因此當(dāng)介電常數(shù)的變化量為△ε時(shí)，電容量的變化量為

靈敏度為

變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。

變介質(zhì)型電容式傳感器

目錄4.樓1電容偏式傳麗感器謠的工桌作原揪理4.瓶2電容襯式傳出感器的傳漂感特篇性4.瞞3電容開(kāi)式傳據(jù)感器栗的等悶效電穩(wěn)路4.謝4電容裙式傳禾感器提的信號(hào)廟調(diào)理4.屑5電容饞式傳廈感器鍋的典怒型應(yīng)被用舉例4.3電容式傳感器的等效電路其中L為傳輸線的電感；R為傳輸線的有功電阻；C為傳感器的電容；Cp為A、B兩端間的寄生電容；Rp為極板間等效漏電阻，它包括兩個(gè)極板支架上的有功損耗及極間介質(zhì)有功損耗。A、B兩端間的等效電容為應(yīng)保證激勵(lì)頻率的穩(wěn)定性。在較高激勵(lì)頻率下使用電容傳感器時(shí)，每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電線時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定。目錄4.液1電容侄式傳甩感器費(fèi)的工弊作原妹理4.畏2電容欄式傳轉(zhuǎn)感器的傳睛感特燙性4.虜3電容比式傳駱感器老的等究效電象路4.粒4電容速式傳貿(mào)感器奮的信號(hào)悠調(diào)理4.據(jù)5電容親式傳脅感器謎的典推型應(yīng)譽(yù)用舉例4.4電容式傳感器的信號(hào)調(diào)理4.4.1交流電橋電路將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂(另一臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)二次線圈。變壓器電橋使用元件少、橋路內(nèi)阻小，應(yīng)用較為普遍。圖4-撿6變壓真器式伍電橋威線路誰(shuí)方框打圖1變壓器式交流電橋圖4-7變壓器式電橋等效電路圖2緊耦合比率臂交流電橋圖4-8緊耦合電感比率臂電橋圖4-雜9緊耦童合電該感比爪率臂循電橋健等效市電路圖4-蹄8與圖4-肚9電路竟參數(shù)鉗之間努的對(duì)填應(yīng)關(guān)蜂系為當(dāng)、負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)

當(dāng)、負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)圖4-10用緊耦合與不耦合電感作橋臂時(shí)的靈敏度4.4.2運(yùn)算放大器式電路由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高,運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。圖4-11運(yùn)算放大器電路【例4-族2】現(xiàn)有掌一只0~20好mm的電銀容式蛛位移柏傳感招器，橡其結(jié)漏構(gòu)如妖圖例4-蹤蝶2所示恥，已份知L=2躁5m箏m，R1＝6m適m，R2=5極.7括mm，r=4踩.5肉mm，CRC構(gòu)成杠固定姜電容CF，CRC隨活高動(dòng)導(dǎo)詠桿的亮深入搜而變米化，條擬采淚用理駁想運(yùn)奴放電塑路，雜試回高答：1）要千求運(yùn)顏放輸還出電澆壓與營(yíng)輸入火位移x成正狼比，航在運(yùn)黑放線潑路中CF與Cx應(yīng)如候何連歉接?2）活偷動(dòng)導(dǎo)擊桿每波深入lm聚m所引飾起的攀電容諒變化范量為甚多少據(jù)？3）輸幣入電魚壓U=6猜v時(shí)，禮輸山揚(yáng)電壓U0為多殲少？4.4.3脈沖寬度調(diào)制電路圖4-12脈沖寬度調(diào)制電路原理圖推導(dǎo)電路中A、B兩點(diǎn)之間的電壓的直流分量為當(dāng)差動(dòng)電容傳感器為變間隙式時(shí)

當(dāng)差動(dòng)電容傳感器為變面積式時(shí)4.4.4調(diào)頻式電路

圖4-13外差式調(diào)頻測(cè)量電路原理方框圖4.4.5單片電容傳感器信號(hào)調(diào)理電路CS2001

CS2001將傳感器的電容量直接轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸出，外圍電路簡(jiǎn)單，使用方便。

它采用電荷補(bǔ)償反饋環(huán)的原理，當(dāng)電容傳感器為差動(dòng)形式且中心值為25PF時(shí)，靈敏度最高，達(dá)200mV／PF。CS2001采用±2.5V雙電源或+5V單電源供電，最大功耗僅為17mW，輸出電壓與傳感器電容呈線性關(guān)系。具有低噪聲、低漂移的優(yōu)點(diǎn)，能在DC~17kHz的帶寬內(nèi)進(jìn)行高精度的測(cè)量。圖4-14CS2001的內(nèi)部電路框圖目錄4.炮1電容物式傳荒感器館的工誦作原供理4.峰2電容腥式傳坡感器的傳楊感特秤性4.度3電容缸式傳底感器賞的等袖效電印路4.弄4電容羊式傳葡感器濫的信號(hào)煩調(diào)理4.題5電容伙式傳率感器臨的典要型應(yīng)塘用舉例4.5電容式傳感器的典型應(yīng)用舉例4.5.1電容傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)1絕緣與保護(hù)材料2消除和減小邊緣效應(yīng)3削弱寄生電容的影響（1）增加初始電容值。（2）注意接地與屏蔽。（3）采用驅(qū)動(dòng)屏蔽技術(shù)。（4）將傳感器與電子線路的前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器至前置級(jí)的電纜。（5）利用運(yùn)算放大器的虛地來(lái)減小電纜電容影響。

圖4-思17采用炕防護(hù)票環(huán)削寒弱邊損緣效旦應(yīng)電容鍵器的題容量擺受三拋個(gè)因翁素影臉響，綢即：以極距x、相對(duì)圈面積A和極巨間介磁電常抱數(shù)。固則定其換中兩泥個(gè)變哈量意，電密容量C就是膜另一悟個(gè)變餐量的囑一元編函數(shù)客。只蔽要想輕辦法將被格測(cè)非察電量余轉(zhuǎn)換貨成極域距或報(bào)者面堵積、禮介電艙常數(shù)框的變更化，就母可以通過(guò)態(tài)測(cè)量籠電容距量這株個(gè)電傘參數(shù)抽來(lái)達(dá)豆到非呼電量榮電測(cè)砍的目縫的。4.饅5.晚2電容找傳感妹器應(yīng)蘭用舉慨例1電容饞式壓果力計(jì)利用買膜片婦作為異彈性良元件煉，在開(kāi)壓力矛作用傭下，卷膜片校變形身，以獻(xiàn)改變待膜片狼與電葉容定高極之宅間的曉距離肯，使煉壓力漢計(jì)的眠電容深發(fā)生盞變化耐。優(yōu)點(diǎn)參：靈敏溜度高兵，所名需的磨測(cè)量怠力很間小，范因此悅可以失測(cè)量數(shù)微壓蠻，內(nèi)坡部沒(méi)亮有大頁(yè)幅度禾的位冰移元搞件，滿壽命泥長(zhǎng)。其次董它的今動(dòng)態(tài)預(yù)響應(yīng)摘快，運(yùn)可以舉測(cè)量松快變企壓力當(dāng)。另外傷根據(jù)養(yǎng)測(cè)量磨要求喬不同底，可震以制膽成不矩同結(jié)箏構(gòu)，堵也可界以作帳到較浮小尺貼寸。缺點(diǎn)欠：傳感投器與關(guān)連接膨線路叉的寄莫生電某容影步響大重，非設(shè)線性答較嚴(yán)直重。2電容糟式液坊位計(jì)3電容輸式濕猶度計(jì)傳感重元件匹由氧焦化鋁禾薄膜武制成氧，氧雞化鋁衰薄膜解吸水膜后，枕電容襯值產(chǎn)扛生變帳化，遙故根學(xué)據(jù)其算電容救值即殊可得顏到濕臂度值獄。4電容法測(cè)厚度圖4-23電容法測(cè)電介質(zhì)材料的厚度電容器的電容值為電容揮式液挪位計(jì)棒狀畏電極紀(jì)（金頁(yè)屬管輪）外離面包迅裹聚貞四氟疑乙烯篇套管愛(ài)，當(dāng)梅被測(cè)媽液體越的液克面上狡升時(shí)腐，引悼起棒民狀電頂極與界導(dǎo)電幅液體復(fù)之間皆的電達(dá)容變掃大。聚四斗氟乙嗓烯外稈套電容絮式液譽(yù)位限墊位傳態(tài)感器液位榜限位仍傳感視器與賺液位壺變送劇器的躍區(qū)別請(qǐng)?jiān)谟诒I：它咐不給耀出模慰擬量?jī)x，而帆是給拖出開(kāi)懂關(guān)量賺。當(dāng)走液位是到達(dá)矩設(shè)定脊值時(shí)撫，它勸輸出亂低電雙平。緩但也勿可以深選擇霞輸出毯為高它電平案的型莫號(hào)。液位隊(duì)限位惠傳感阻器的尖設(shè)定智能濾化液順位傳盾感器葡的設(shè)杏定方鉤法十壺分簡(jiǎn)加單：用手惕指壓雕住設(shè)瓣定按熱鈕，