传感器原理及应用电容式传感器.pptx
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1、 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用 第1页/共39页电容极板间介质的介电常数,0为真空介电常数,r极板间介质的相对介电常数;A两平行板所覆盖的面积;d两平行板之间的距离。两个平行金属板组成的平板电容器,不考虑边缘效应时电容量为 一、基本工作原理一、基本工作原理5.1 电容式传感器工作原理和结构d极板1极板2被测参数变化A、d或发生变化时,电容量C也随之变化。仅改变一个参数,该参数的变化可转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。第2页/共39页电容式传感器的三种类型:变极距型、变面
2、积型和变介电常数型。一、基本工作原理一、基本工作原理5.1 电容式传感器工作原理和结构第3页/共39页若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d,电容量增大了C,则有二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构d/d01时,1-(d/d0)21,则C与d近似呈线性关系。变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时,才有近似的线性关系。1、基本输出特性第4页/共39页电容的相对变化量为 二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构当|d/d0|1时,级数展开有 输出电容的相对变化量与输入位移之间成非线性关系。传感器的相对非线性误差:2、
3、非线性特性第5页/共39页电容传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构3、灵敏度单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。当|d/d0|1时有近似线性关系 2、非线性特性要提高灵敏度,应减小起始间隙d0,但非线性误差却随着d0的减小而增大。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间,极板间距离在25200m的范围内。最大位移应小于间距的1/10。变极距电容式传感器在微位移测量中应用最广。第6页/共39页在差动式平板电容器中,当动极板位移d时,电容器C1的间隙d1变为d0-d,电容器C2的间隙d2变为d0+d
4、,则 二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性误差,大都采用差动式结构。4、差动式结构动极板动极板定极板定极板定极板定极板C1 d1C2 d2第7页/共39页电容值相对变化量为 二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构略去高次项,则C/C0与d/d0近似线性关系为电容值总的变化量为 4、差动式结构动极板动极板定极板定极板定极板定极板C1 d1C2 d2第8页/共39页差动式传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构差动式传感器的
5、相对非线性误差近似为 4、差动式结构动极板动极板定极板定极板定极板定极板C1 d1C2 d2差动式结构的电容传感器非线性误差大大降低,灵敏度增加了一倍。第9页/共39页两种常用变面积型电容传感器:线位移式和角位移。三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与水平位移呈线性关系。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积改变,产生电容量的变化。当动极板相对于定极板平移x时,则电容相对变化量为 1、平行平板线位移式第10页/共39页初始电容C0为三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与内筒线位移
6、呈线性关系。当覆盖长度变化时,电容量也随之变化。当内筒上移为a 时,内外筒间的电容相对变化量为 2、同轴圆筒线位移式DdLa第11页/共39页初始电容C0为三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与角位移呈线性关系。当动极板有一个角位移时,与定极板间的有效覆盖面积就发生改变,从而改变了两极板间的电容量。电容相对变化量为 3、角位移式第12页/共39页设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为d;被测物的厚度和介电常数分别为dx和,则四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与被测量物体的厚
7、度和介电常数有关。当介电常数一定时,通过传感器电容量的变化测量物体的厚度。1、单组平板厚度式电容传感器 dxCC1C2C3第13页/共39页设极板宽度为b,板间无介质2时,传感器的电容量四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与位移呈线性关系。插入介质2 后的电容量2、单组平板位移式电容传感器 d21CBld12xCACACBC第14页/共39页设被测介质的介电常数为1,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,变换器电容值为 四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构变换器的电容增量正比
8、于被测液位高度。3、测量液位圆筒式电容传感器 C2C1C第15页/共39页 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用 第16页/共39页考虑了电容器的损耗和电感效应,电容式传感器的等效电路。一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路5.2 电容式传感器等效电路根据等效电路,电容式传感器有一个谐振频率,通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏传感器正常作用。因此,工作频率应该选择低于谐振频率。并联损耗电阻Rp:表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。并联损耗低频时影响大,随着工作频率
9、增高,容抗减小,影响就减弱。串联损耗电阻Rs:引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L:电容器的电感和外部引线电感。第17页/共39页 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用 第18页/共39页与电感传感器不同,电容传感器中电容值和电容变化量都十分微小,难以直接为仪表所显示和记录。因此,需要一些测量电路检测出电容的微小变化量,并转换成相应的电压、电流或频率输出。一、调频式测量电路一、调频式测量电路5.3 电容式传感器测量电路常用测量电路:调频电路、运算放大器电路、二极管双T形交流电桥、环形二极
10、管充放电电路、脉冲宽度调制电路等。Cxf振荡器uf限幅放大器uL鉴频器调频测量电路中电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。若用频率直接作为测量系统的输出量,来判断被测非电量的大小,具有非线性、不易校正等问题。因此,加入鉴频器,频率变化转换为电压振幅变化来输出。第19页/共39页调频振荡器的振荡频率为 一、调频式测量电路一、调频式测量电路5.3 电容式传感器测量电路调频测量电路具有较高的灵敏度,可测量高至级位移变化量。信号输出频率易于用数字仪器测量,并与计算机通讯,抗干扰能力强,可实现遥测遥控。当被测信号不为0时,C0,振荡器频率变化为
11、 振荡回路的总电容,C=C1+C2+Cx,C1为振荡回路固有电容,C2为传感器引线分布电容,Cx=C0C为传感器的电容。当被测信号为0时,C=0,则振荡器有一个固有频率为第20页/共39页运算放大器的放大倍数大,输入阻抗高,可作为电容式传感器的理想测量电路。二、运算放大器测量电路二、运算放大器测量电路5.3 电容式传感器测量电路运算放大器电路输出电压为 测量电路输出电压的相位与电源电压的反相。设Cx为电容式传感器电容;Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压;是虚地点。运算放大器输入电流可认为零,根据克希荷夫定律有第21页/共39页平行平板电容传感器,则二、运算放大器测量电路二、运算放大器测量电
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- 传感器 原理 应用 电容
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