傳感器與檢測技術(shù)胡向東第5章電容式傳感器ppt課件.ppt

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1、第5章電容式傳感器主要內(nèi)容5.1電容式傳感器的工作原理5.2變極距型電容式傳感器的非線性5.3電容式傳感器的等效電路5.4電容式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路5.5電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(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、振動(dòng)、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測量。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高；可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；能在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作；電容量小，功率小，輸出阻抗高，負(fù)載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。5.1　電容式傳感器的工作原理A兩

2、平行平板所覆蓋的面積；ε極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；ε0自由空間介電常數(shù)；εr極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；d平板之間的距離在實(shí)際使用中，通常保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而只變其中一個(gè)參數(shù)，把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為三種：變極板間距離的變極距型改變極板面積的變面積型改變介質(zhì)介電常數(shù)的變介質(zhì)型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)a-f變面積型g-j變介質(zhì)型K.l變極距型變面積型電容式傳感器A平板型，B筒狀型5.1.1變面積型電容式傳感器電容改變量與水平位移成線性關(guān)系電容改變量與角位移呈線性關(guān)系介質(zhì)名稱真空空氣聚乙烯硅

3、油金剛石氧化鋁云母TiO2相對介電常數(shù)12.262.5.54.5-8.46-8.514-110在10的6次方頻率下，一些典型介質(zhì)的相對介電常數(shù)如下5.1.2變介質(zhì)型電容式傳感器注入液體后，相當(dāng)于兩個(gè)電容并聯(lián)。注入液體前，一個(gè)電容并聯(lián)。電容值為C05.1.2變介質(zhì)型電容式傳感器電容增量與被測液位的高度成線性關(guān)系圖４－2-1變極距型電容傳感器變極距型電容式傳感器當(dāng)電容傳感器的介電常數(shù)和面積為常數(shù)，初始極板間距為d0時(shí)，其初始電容值為如果動(dòng)極板因?yàn)楸粶y參數(shù)改變而導(dǎo)致極板距離縮小，則電容值增大，如下（非線性）如果極板間距改變很小，Δd/d<

4、<1,則可按照泰勒級(jí)數(shù)展開為忽略高次項(xiàng)，整理得由此可見電容變化量與間距變化量成正比同樣的間距變化，較小的d0可以獲得更大的電容變化量。從而提高電容的靈敏度。但是d0過小，容易導(dǎo)致電容器的擊穿或者短路。因此，可以在極板間加入高介電常數(shù)的材料如云母，如下圖。一般極板間距在25～200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測量。它們串聯(lián)的總電容為變極距型電容式傳感器的非線性單位輸入位移所引起的輸出電容量變化與d0成反比關(guān)系非線性誤差：如果保留線性項(xiàng)和二次項(xiàng)（最大的非線線性項(xiàng)）剛剛學(xué)到，靈敏度與d0的

5、關(guān)系減小d0,雖然靈敏度K增加，但是非線性誤差也增加了。矛盾的結(jié)果。差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)的好處靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善5.2　電容式傳感器的測量電路5.2.1調(diào)頻電路電容式傳感器的電容值及電容變化都比較微弱，必須借助于信號(hào)調(diào)節(jié)電路才能將微小的電容變化值轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率。電容式傳感器的調(diào)頻測量電路具有以下特點(diǎn)1、靈敏度高，可以測量0.01um級(jí)的位移變化。2、抗干擾能力強(qiáng)。3、性能穩(wěn)定。4、最后輸出可是高電平的直流信號(hào)。5.2.2變壓器式交流電橋如果C1，C2為變極距型電容式傳感器，則有代入前式，則有5.2.3運(yùn)算

6、放大器對于平板電容代入前式，輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)系5.2.4二極管雙T型交流電橋當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，C1＝C2一個(gè)周期內(nèi)流過負(fù)載的平均電流為0當(dāng)傳感器有輸入時(shí)，C1≠C25.2.5脈沖寬度調(diào)制電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路適用于變極板距離和變面積式差動(dòng)電容傳感器，且為線性特性。變極距型C1