《电容式传感器改》PPT课件

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1、第6章　电容式传感器概述电容式传感器电容式传感器的特点是：小功率、高阻抗;本身发热影响小;电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗;静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；可进行非接触测量。传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。概述电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器概述电容式传感器电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度6.1电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化。

2、平板电容器的电容根据被测参数的变化分：变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器(A)变介质型电容传感器(ε)变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)6.1.2变极距型电容传感器6.1.2变极距型电容传感器—基本特性若d从d0→d0-Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有当时,变极距式电容传感器有近似线性关系,此时灵敏度①为了获得高灵敏度,一般d0(0.1-1mm)较小,但——d0过小易引起电容器击穿或短路。②电容C与极距d成非线性关系,为了减小非线性误差,通常d变化范围③此类电容传感器仅适于微小位移的

3、测量(0.01um～数百微米)。6.1.2变极距型电容传感器—基本特性结论怎么办呢？一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。对于云母，图6-3放置云母片的电容器云母片的相对介电常数为空气的7倍,击穿电压远远高于空气的,因此可使极板之间的起始距离大大减小。6.1.2变极距型电容传感器—双介电层6.1.2变极距型电容传感器—灵敏度/非线性1.灵敏度（变极距型）2.非线性（忽略了线性及以上高次项）泰勒展开非线性误差：目的：1.提高灵敏度2.减小非线性误差非线性误差：灵敏度：6.1

4、.2变极距型电容传感器—差动平板式6.1.3变面积型电容传感器6.1.3变面积型电容传感器图5-6电容式角位移传感器原理图6-6图6-5变面积型电容式传感器原理图变面积型电容传感器的优点是:输出与输入成线性关系,但与变极距型相比,灵敏度低,适用于较大角位移量及直线位移的测量。6.1.3变面积型电容传感器圆筒形电容器的电容为：其中x为覆盖的长度6.1.4变介质型电容式传感器柱式7电容的增量正比于被测液位高度,可测量一种流体的液位高度6-76.1.4变介质型电容式传感器平板式8电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电

5、固体介质的湿度。电容传感器的等效电路LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce:两点注意：1.工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏了电容的正常作用。因此,工作频率应该选择低于谐振频率。2.电容式传感器的有效电容除与位移有关外,还与角频率有关。因此,在实际应用时必须与标定的条件(ω)相同。6.2电容式传感器的测量电路电容传感器的特点：电容量小、变化更小（PF级）。理论上,交流电桥可作为电容传感器的测量电路,但由于电容及变化太小,不易实现。常采用：1.调频电路2.运算放大器式电路3.脉冲宽度调制电路4、电桥电路6.2.1调频电路11特点：转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。具

6、有较高的灵敏度,可以测量高至0.01μm级位移变化量。但非线性较差,可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后,进行补偿。6-96.2.2运算放大器式电路运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）特点：1.输出电压与极板距离d成正比2.要求Zi及放大倍数足够大3.为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定4.由于Cx变化小,所以该电路实现起来困难图6-10运算放大器式电路原理图6.2.3脉冲宽度调制电路C1充电,VF。当VF>Uc时,Q=0,信号反转,Q=1。C1经D1放电。C2充电,VG。当VG>Uc时,Q=0，Q=1,再次反转。C2经D2放电。C1

7、和C2为差动电容6.2.3脉冲宽度调制电路uAuBuABtttU1U1U0000T10UcuFtT20UcuGt输出电压uAB经低通滤波后,便可得到一直流输出电压Uo,值为A、B两点电压平均值uA与uB之差，即式中:T1、T2分别为C1、C2充至Uc需要的时间,即A点和B点的脉冲宽度;U1为触发器输出的高电位。6.2.3脉冲宽度调制电路设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0,R1=R2当d1=d0-Δd,d2=d0+Δd时,有直流输出电压uAB与极距变化量