传感器与检测技术胡向东第5章电容式传感器ppt课件.ppt

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1、第5章电容式传感器主要内容5.1电容式传感器的工作原理5.2变极距型电容式传感器的非线性5.3电容式传感器的等效电路5.4电容式传感器的信号调节电路5.5电容式传感器的应用电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。特点：结构简单、体积小、分辨率高；可实现非接触式测量；动态响应好；能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。5.1　电容式传感器的工作原理A两

2、平行平板所覆盖的面积；ε极板间介质的介电常数；ε0自由空间介电常数；εr极板间介质相对介电常数；d平板之间的距离在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。电容式传感器可分为三种：变极板间距离的变极距型改变极板面积的变面积型改变介质介电常数的变介质型电容式传感器的结构a-f变面积型g-j变介质型K.l变极距型变面积型电容式传感器A平板型，B筒状型5.1.1变面积型电容式传感器电容改变量与水平位移成线性关系电容改变量与角位移呈线性关系介质名称真空空气聚乙烯硅

3、油金刚石氧化铝云母TiO2相对介电常数12.262.5.54.5-8.46-8.514-110在10的6次方频率下，一些典型介质的相对介电常数如下5.1.2变介质型电容式传感器注入液体后，相当于两个电容并联。注入液体前，一个电容并联。电容值为C05.1.2变介质型电容式传感器电容增量与被测液位的高度成线性关系图４－2-1变极距型电容传感器变极距型电容式传感器当电容传感器的介电常数和面积为常数，初始极板间距为d0时，其初始电容值为如果动极板因为被测参数改变而导致极板距离缩小，则电容值增大，如下（非线性）如果极板间距改变很小，Δd/d<

4、<1,则可按照泰勒级数展开为忽略高次项，整理得由此可见电容变化量与间距变化量成正比同样的间距变化，较小的d0可以获得更大的电容变化量。从而提高电容的灵敏度。但是d0过小，容易导致电容器的击穿或者短路。因此，可以在极板间加入高介电常数的材料如云母，如下图。一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。它们串联的总电容为变极距型电容式传感器的非线性单位输入位移所引起的输出电容量变化与d0成反比关系非线性误差：如果保留线性项和二次项（最大的非线线性项）刚刚学到，灵敏度与d0的

5、关系减小d0,虽然灵敏度K增加，但是非线性误差也增加了。矛盾的结果。差动结构差动的好处灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善5.2　电容式传感器的测量电路5.2.1调频电路电容式传感器的电容值及电容变化都比较微弱，必须借助于信号调节电路才能将微小的电容变化值转换成与其成正比的电压、电流或频率。电容式传感器的调频测量电路具有以下特点1、灵敏度高，可以测量0.01um级的位移变化。2、抗干扰能力强。3、性能稳定。4、最后输出可是高电平的直流信号。5.2.2变压器式交流电桥如果C1，C2为变极距型电容式传感器，则有代入前式，则有5.2.3运算

6、放大器对于平板电容代入前式，输出电压与输入位移间存在线性关系5.2.4二极管双T型交流电桥当传感器没有输入时，C1＝C2一个周期内流过负载的平均电流为0当传感器有输入时，C1≠C25.2.5脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性。变极距型C1