电容传感器PPT讲稿.ppt

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1、电容传感器第1页，共60页，编辑于2022年，星期日第2页，共60页，编辑于2022年，星期日第3页，共60页，编辑于2022年，星期日第4页，共60页，编辑于2022年，星期日第5页，共60页，编辑于2022年，星期日第6页，共60页，编辑于2022年，星期日第7页，共60页，编辑于2022年，星期日第8页，共60页，编辑于2022年，星期日第9页，共60页，编辑于2022年，星期日第10页，共60页，编辑于2022年，星期日第11页，共60页，编辑于2022年，星期日第12页，共60页，编辑于2022年，星期日第13页，共60页，编辑于2022年，星期日第14页，共60页，编辑于2022年

2、，星期日第15页，共60页，编辑于2022年，星期日第16页，共60页，编辑于2022年，星期日第17页，共60页，编辑于2022年，星期日第18页，共60页，编辑于2022年，星期日工作时，动极板沿轴线移出。电容量变化为 式中 圆柱形变面积型电容传感器的输出特性是线性的，其灵敏度K与内外圆柱重迭部分长度成反比。3 3、角角位位移移式式电电容容传传感感器器 如图37所示。初始时，两半圆极板重迭，电容量为 C工作时，动极板向外转过角，电容量变为 第19页，共60页，编辑于2022年，星期日则电容变化量为 灵敏度为 综上所述，变变面面积积型型电电容容传传感感器器，不不论论被被测测量量是是线线位位移

3、移还还是是角角位位移移，输输出出电电容容的的增增量量与与位位移移量量都都为为线线性性关关系系，传感器灵敏系数为常数。五、变介质型电容传感器五、变介质型电容传感器 1）、如果只有一种介质，如图410示。初始时：C 1 1、介质本身介电常数变化的电容传感器、介质本身介电常数变化的电容传感器工作时：介质本身介电常数变化 第20页，共60页，编辑于2022年，星期日 CC灵敏度 只有一种介质的变介质电容传感器输出输入特性为线性只有一种介质的变介质电容传感器输出输入特性为线性。2 2、含有被测介质和空气两种介质的变介质电容传感器、含有被测介质和空气两种介质的变介质电容传感器如图3示，初始时：第21页，共

4、60页，编辑于2022年，星期日工作时，被测介质变化 则 略去高次项 则灵敏度 式中：称为灵敏度因子。第22页，共60页，编辑于2022年，星期日则非线性误差 式中：称为非线性因子。结论：结论：、N2与N3均与间隙比 有关，亦即与空气隙厚度（Dd）有关。当空气隙（Dd）越小时，则N2越大，说明灵敏度越高；同时N3越小，说明非线性误差越小。、N2与N3均与被则介质r有关。当r越大，N2越小，灵敏度Kc越小，N3越大，说明非线性误差越大。因此，在使用这种传感器时，要求初始介电常数r越小越好。传感技术第23页，共60页，编辑于2022年，星期日3 3、改变工作介质的电容传感器、改变工作介质的电容传感

5、器 图4-12所示是一种电容液面计的原理图。在被介质中放入两个同心园柱状极板1和2。若容器内液体介质的介电常数为1，容器上面的气体的介电常数为2，当容器液面变化时，两极板间电容量C就会发生变化。设容器中的介质为不导电液体（如果为导电液体，则电极需要绝缘），容器中液体介质浸没电极1和2的高度为h1，未浸没部分高度为h2，这时总的电容C等于气体介质间的电容量与液体介质间的电容量之和。气体介质间的电容量C2为液体介质间的电容量C1为 第24页，共60页，编辑于2022年，星期日因此，总的电容量为 （430）式中 （4-30）式表明传感器电容量C与液位高度h1成线性关系 极板间两种介质的厚度分别为d1

6、和d2，两种介质的介电常数分别为1和2。初始时，两极板之间无介质2 只有1介质，电容量为图413所示为另一种变介质型电容传感器。第25页，共60页，编辑于2022年，星期日工作时，2进入两极板的长度为X，此时电容为 令 常数。则CC0（1B x）则 第26页，共60页，编辑于2022年，星期日可见，电容相对变化量与第二介质2插入第一介质1的深度x成正比。其灵敏度 第27页，共60页，编辑于2022年，星期日4.2、电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 电容传感器的等效电路如图414所示；R包含引线电阻，极板电阻和金属支架电阻。L引线电感和电容器电感之和C传感器电容，包括寄生电容Rp极间

7、等效损耗电阻由于存在引线电感，使得传感器的有效电容Ce与其增长Ce和相对变化量CeCe，还有灵敏度Ke都发生了变化。因此，在使用电容传感器时不要随便改变其引线电缆的长度在使用电容传感器时不要随便改变其引线电缆的长度。第28页，共60页，编辑于2022年，星期日4 43 3、电容式传感器的测量电路、电容式传感器的测量电路 电容式传感器的测量电路有9种、调频电路 、谐振电路，、脉冲电路 、运算放大器电路 、二极管双T交流电桥电路、差动脉冲调宽电路、交流电桥电路 、耦合式电感电桥电路 、变压器电桥电路。一、调频电路一、调频电路 1 1、作用、作用：将电容量转换为频率，即Cf2 2、类型、类型：直放式

8、，外差式。如图415所示。3 3、原理、原理 第29页，共60页，编辑于2022年，星期日振荡器的固有频率 振荡器的频率变化为 4 4、持点、持点：、抗外来干扰能力强 、特性稳定 、能取得高电平直流信号（伏特级）、易于用数字仪表记录及与计算机接口 二、谐振电路二、谐振电路第30页，共60页，编辑于2022年，星期日1 1、作用、作用：将电容变化转换为阻抗变化，C2 2、原原理理：将电容传感器C3作为谐振回路（L2、C2、C3）中调谐电路的一部分。初始时，调节C2，使调谐电路共振，输出电压最高。工作时，非电量变化使电容传感器C3以生变化，使谐振回路失振，偏离谐振点，阻抗相应发生变化，使输电压也发

9、生变化。3 3、特点、特点：、比较稳定；、工作点不易选好，变化范围较窄、传感器与谐振回路要靠近；、振荡器的频率要稳定。第31页，共60页，编辑于2022年，星期日三、脉冲电路三、脉冲电路 1 1、作用、作用：将电容变化转换为电流输出，CIp,2 2、原理、原理：1 1）开开关关K K打打向向1 1,电容传感器C接通电源正充电，其变化路径为：ED4mD2CXR1E 充电电压为 2 2）、K K打打向向2 2，设计CX经同样大小的放电，放电路径为D1mD3R22CX 充、放电的平均电流IP为：第32页，共60页，编辑于2022年，星期日3、特点：、特点：1）、传感器电容要小；2）、充、放电电路的时

10、间常数要相等；3）充电要充足，放电要放尽；4）、转换开关K的动作频率f要大。四、运算放大器电路四、运算放大器电路 1 1、作用、作用：将电容变化转换为电 压变化。CU02 2、原理、原理：CX传感器电容；C固定电容；为虚地 3、特点：、特点：该电路的最大特点是 能克服变极距型电容传感器的非线性。第33页，共60页，编辑于2022年，星期日五、五、一般交流电桥电路一般交流电桥电路1、作作用用：将电容变化转换为阻抗变化。CZ2、原理、原理：当负责阻抗ZL时，电桥输出电压为为 当传感器电容变化时，电桥失去平衡，输出电压为3 3、特点：、特点：1）要求供桥电压的幅值和频率都要很稳定；2）要求放大器的输

11、入阻抗ZL很高。3）要求供桥电源的频率为被测信号最高频率的510倍。4）应采用稳定性好、增益高的窄带放大器作为后接放大器。第34页，共60页，编辑于2022年，星期日六、紧耦合电感臂电桥六、紧耦合电感臂电桥 1、作用：、作用：将电容变化转换为阻抗变化。CZ 2、原理：、原理：电桥输出的一般表达式为紧耦合电桥与不耦合电桥的灵敏度如图4-21所示 3、特点：、特点：抗干扰性好，稳定性好。第35页，共60页，编辑于2022年，星期日七、变压器电桥七、变压器电桥 1、作作用用：将电容变化转换为阻抗变化。CZ2、原理：、原理：当电桥负载ZL 时，输出电压为如果C1、C2为差动式变极距型电容传感器。第36

12、页，共60页，编辑于2022年，星期日如果C1、C2为差动式变面积型电容传感器，3、特点、特点：变压器电路对传感器无线性要求 八、二极管八、二极管T T交流电桥电路交流电桥电路第37页，共60页，编辑于2022年，星期日1、作用：、作用：利用电容放电原理将CILU0 2 2、原理、原理：UE是对称方波高频交流电源1）、正半周时，设电源UE上正下负，二极管D1在短路，D2开路，C1在短时内充电，C2初始电压为UE，这是一阶动态电路。可得出C2上的电流为负半周时电容C1的平均电流IC1为 第38页，共60页，编辑于2022年，星期日在负载RL上输出的电压平均值为 3、特点、特点：、线路简单，可全部

13、放在探头内，大大缩短电容引线，减少寄 生电容的影响；、二极管D1、D2工作在高电平下，因而非线性失真小；、电源频率、幅值直接影响其灵敏度，因此要求它们高度稳定、输出电压较高；、输出阻抗与R1、R2同数量级（1100K），与电容C1、C2 无关；、输出信号的前沿时间由RL决定。如RL1K，则上升沿时间为 20s可用于动态测量；、要求电源UE、RL、C1、C2一端同时在一点接地。第39页，共60页，编辑于2022年，星期日九、差动脉冲调宽电路，也称为差动脉冲调制电路九、差动脉冲调宽电路，也称为差动脉冲调制电路 1 1、作作用用：利用电容充电将电容变化转换为电压输出。2 2、原理：、原理：电路如图4

14、24示。由两个电压比较器A1、A2，一个双稳态触发器和两个充放电回路R1、C1，R2、C2组成。R1R2R、C1、C2为差动式电容传感器。1）、当接通电源后，如Q端（A点）为高电平，端（B点）为低电平，则触发器通过R1向C1充电 第40页，共60页，编辑于2022年，星期日2）、B高D止UB经R2向C2充电（下上），使G点电位上升当G点电位UGU时比较器A2产生脉冲使FF翻转A为高电平，B为低电平。对变极距型电容传感器 对面积型电容传感器 第41页，共60页，编辑于2022年，星期日3 3、特点：、特点：、对电容感器无线性要求；、无须解调电路，(因为电源频率不高)；、电源频率大小对输出电压无影

15、响；、对输出矩形波纯度要求不高。第42页，共60页，编辑于2022年，星期日4.44.4、引起电容传感器测量、引起电容传感器测量 误差的因素及改进措施误差的因素及改进措施 一、温度对电容器结构尺寸的影响一、温度对电容器结构尺寸的影响环境温度变化时，导致电容传感器的几何尺寸 和几何形状发生变化，引起电容值发生变化 设初始温度为t0时，d0Lh1h2 环境温度变化t后，气隙厚度变为：dt（1Lt）h1（1h1t）h2（1h2t）温度变化引起电容量的相对误差为消除误差的方法消除误差的方法 设法使t0，即使h1h1+h2h2-L=0即达到温度补偿目的。第43页，共60页，编辑于2022年，星期日理想情

16、况下，平板电容器两极板间的电场是均匀分布的。实际上，当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘效应就不可能忽略，对极板半径为r的变极距型的电容传感器，其值按下式计算 边缘效应不仅使电容传感器灵敏降低，而且产生非线性，且带来测量误差，为此必须消除。消除的方法消除的方法 在电容器上加等位环，要求等位环G与原定极板A同心，电气上绝缘且间隙越小越好。同时始终保持等电位。为了减小因极板厚度h增加而产生边缘效应影响大，往往不采用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸镀一簿层金属做为极板。第44页，共60页，编辑于2022年，星期日三、寄生电容与分布电容的影响三、寄生电容与分布电容的影响 1 1、寄

17、寄生生电电容容电容极板与周围物体（各种组件甚至人体）所产生的电容。2 2、分布电容、分布电容传感器引线电缆引起的电容。寄生电容与分布电容统称为干扰电容干扰电容。由于电容传感器很小,极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍且具有随机性的干扰电容的影响，且它与传感器电容并联，严重影响传感器的输出特性，甚至淹没传感器有用电容而使之无法工作，带来测量误差。因此，消灭干扰电容的影响是电容式传感器实用的关键。3 3、消除方法、消除方法、驱动电缆法、驱动电缆法。、采用运算放大器法、采用运算放大器法。、整体屏蔽法、整体屏蔽法。、采用组合式与集成技术、采用组合式与集成技术，缩短传感器到测量缩短传感器到测量电路

18、之间的距离电路之间的距离第45页，共60页，编辑于2022年，星期日四四、外界干扰的影响外界干扰的影响外界干扰主要是电磁场干扰。因为电磁场会在传感器和导线之间感应出电压，并与信号一起输送至测量电路，从而产生误差，甚至使传感器无法正常工作。另外，不同接地点所产生的接地电压，也是一种干扰信号，同样会引起测量误差。防止和减小外界干扰的方法防止和减小外界干扰的方法 、屏蔽和接地。、增加传感器原始电容量，以降低容抗。、减小导线间的分布电容的静电感应。、减少接地点、尽量采有差动式电容传感器 第46页，共60页，编辑于2022年，星期日 五、温度对介质的影响五、温度对介质的影响某些介质的介电常数也存在温度系

19、数，从而温度改变会引起传感器的电容改变，造成温度误差。消除方法消除方法：采用介电常数温度系数为零的空气及云母作为介质，或在测量电路中进行温度补偿。但要完全补偿是困难的。六、漏电阻的影响六、漏电阻的影响电容传感器的容抗很高，特别是电源频率较低时，容抗更高。如果两极板之间的漏电阻与此容抗相接近时，传感器的灵敏度会下降。消除方法消除方法：选用绝缘性能很好的陶瓷、石英等材料做为两极板之间的支架，可大提高两极板之间的漏电阻 第47页，共60页，编辑于2022年，星期日 4.54.5、电容传感器的应用、电容传感器的应用 一、电容法测泥料水分一、电容法测泥料水分电容传感器采用双针式结构，插入泥料之中，使泥料

20、充满两极板之间，泥料水分合格时：如果泥料水分改变，则泥料的介电常数也改变。电容相对变化G与泥料介电常数相对变化成线性关系，故仪表刻度均匀。然后采用脉冲电路，将其电容变化转换为电流，IP2EfC 式中f为转换开关频率、f取lMHZ第48页，共60页，编辑于2022年，星期日二、电容测厚传感器在板材轧制中的应用二、电容测厚传感器在板材轧制中的应用在板材上下两侧各置一块面积相等且与板材距离相等的电容极板，金属板材构成一极，这样形成两个并联的电容器C1、C2。当板材厚度合格时,变压器电桥输出电压U0为当板材厚度增加d 0 用此电压去调节轧机压力调节器，使轧机压力增大，板材逐渐变薄，逐渐变小，当板材厚度

21、符合标准时，XXX0，压力调节停止，反之一样。第49页，共60页，编辑于2022年，星期日三、电容式液位计三、电容式液位计 输出电容与液位高度X成线性关系。采用单电容脉冲调宽电路，可将液位高度X转换为电压输出。第50页，共60页，编辑于2022年，星期日工作原理工作原理、当水塔中的水位到达X1时，即水快要用完时，电源接通C、C分别经R1、R2，由电源Ucc充电，充电电压为下上。、在抽水的同时，Cr继续充电。当水塔的水位到达X2时，即快要抽满时，Cr的电压上升到Ur，使比较器A2由高电平翻转为低电平，使T1、T2均导通，红灯亮，说明水塔里的水已加满。、当Cr放电使U2下降到Ur时，比较器A2由低

22、电平翻转为高电平，T1、T2截止，红灯灭，C、Cr放电结束。、当水塔中的水位下降到X1时，C上所充电压上升到Ur、又由高电平翻转为低电平，T3导通，抽水，重复上述过程 第51页，共60页，编辑于2022年，星期日四、电容料位计四、电容料位计图4-34（a）所示为金属电极棒插入容器来测量料位。它的电容变化与料位升降的关系为图4-35为晶体管电容料位指示仪。这种仪器是用于密封料仓内导电性不良的松散物质（如谷物）的料位监视，并能对加料系统进行自动控制。第52页，共60页，编辑于2022年，星期日五、电容式压力传感器五、电容式压力传感器金属弹性腹片为动极板，镀金凹型玻璃园片为定极板。当被测压力通过过滤

23、器进入空腔时，如果P1P2，则弹性膜片受到压力差而向一侧产生位移，该位移使两个电容一增一减，电容量的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或压力的变化输出。传感器的灵敏度取决于初始间隙d0，d0越小，灵敏度越高。或，实验证明，该传感器可测量0 0.75的微小压差。这种传感器常配以脉宽调制电路。第53页，共60页，编辑于2022年，星期日六、电容式振动、位移测量仪六、电容式振动、位移测量仪测量时，首先要调整好传感器与被测工件间的原始间隙d0，当轴旋转时因轴承间隙等原因使转轴产生径向位移和振动d，相应的产生一个电容变化C。DWY3振动、位移测量仪可以直接指示出d的大小，配有记录和图形显示仪

24、器时，可将d的大小记录下来并在图像上显示出其变化的情况。第54页，共60页，编辑于2022年，星期日七、七、电容式荷重传感器电容式荷重传感器它是在镍铬钼钢块上同一高度加工出一排尺寸相同且距离相等的圆孔，在孔的内壁上粘接有带绝缘支架的平板式电容器且并联在一起。当钢块端面承受荷重F而使圆孔变形时，使每个电容器的板间距变小，电容量增大，因此总电容增值量将正比于被测平均荷重F。这种传感器的主要优点是受接触面影响小，测量精度高。另外，电容器放于钢块的孔内，工作可靠；温度漂移可补偿到很小的程度，提高了抗干扰能力。由于以上优点，它不仅被广泛地应用于地球物理和工作表面状态的检测，而且在自动检测和控制系统中也常

25、用来作位置信号发送器。第55页，共60页，编辑于2022年，星期日 6.5 6.5 容栅式传感器容栅式传感器 容栅式传感器是变面积型传感器的基础上发展起来 的一种新型传感器。一、工作原理：一、工作原理：容栅式传感器有三种类型：、开环调幅式；、闭环调幅式；、调相式。1、开环调幅式容栅传感器工作原理：它由定栅对和动栅对两对极板构成，如图示：其中阴影部分是两栅重叠部分。当动栅向左移动L时，上对极板形成电容C1将减小，下对极板形成的电容C2将增加，从而形成一对随位移反向变化的差动电容器C1和C2。它配用差动变压器电桥测量电路。由于电容极板被刻成栅状，从而提高了测量精度，并可进行大位移测量。第56页，共

26、60页，编辑于2022年，星期日2 2、闭环调幅式容栅传感器原理、闭环调幅式容栅传感器原理 图中A、B为动尺上的电极片，各有4个小电极片组成。在位置a时，A组的3、4小极片与定尺的电极片P重合；B组的5、6个小极片与定尺的电极片P重合，此时形成的CA与CB相等。S1、S2为方波脉冲控制开关，轮流将参考直流电压U0和测量转换系统的直流输出电压Um分别接入两极组A和B。第57页，共60页，编辑于2022年，星期日如果系统保证电容极板P为虚地，则在一个周期内，激励信号通过差动电容CA和CB在电容极板上产生的电荷量为：当0时，测量转换电路保证直流输出电压不变，则 则 闭环调幅式测量系统有如下优点优点：

27、、精度高；、灵敏度高，线性好，量程大；动态特性好，时间常数小，固有频率高；、能使寄生电容的干扰大为减小。缺点缺点：电路复杂。第58页，共60页，编辑于2022年，星期日3 3、调相式容栅传感器原理、调相式容栅传感器原理 容栅传感器的一个极板K由数个发射极片组组成，每个发射极片组P又包含8个宽度为L0的小发射极片，分别通以8个幅值为、频率为、相位依次差的正弦电压；另一个极板由许多反射极片M 和接地屏蔽极片S形成，还有一个接受极片R。初始时，两极板K和M处于相对位置a，每个发射极片反射极片完全覆盖，形成电容为C0。第59页，共60页，编辑于2022年，星期日当两极板相对移动x(x0)而处于位置b时，很显然，每个发射极片与发射极片不完全覆盖。因而电容发生变化。若将反射极片电压记为UM，接受极片的电压为UR，反射极片M与接受极片R之间的电容记为CMR，接受极片与地之间的电容为CRG，则得 由上式可知，传感器输出一个与激励同频率的正弦波电压，其幅值近似为常数K，其相位与位移X近似成线性。第60页，共60页，编辑于2022年，星期日