传感器课件第三章 电容传感器

第,3,章,电容式传感器,安徽工程科技学院,目录,先认识电容式传感器,本章主要内容,3.1,电容式传感器工作原理和类型,(1),变极矩式,（,2,）,变面积式,（,3,）,变介电常数式,3.2,电容式传感器主要特性,(1),变极矩型,（,2,）,变面积式,（,3,）,变介电常数式,3.3,电容式传感器的等效电路,3.4,电容式传感器的测量电路,（,1,）,交流电桥,（,2,）,变压器电桥,（,3,）,二极管双,T,型电路,（,4,）,差动脉冲调宽电路,（,5,）,运算放大器式电路,3.5,主要性能和设计要点,（,1,）,主要性能,（,2,）,设计要点,3.6,电容式传感器的应用举例,（,1,）,电容式料位计,（,2,）,电容式压力传感器,（,3,）,电容测厚仪,（,4,）,电容测位移,（,5,）,智能型电容传感器,（,6,）,电容式接近开关,本章主要内容,掌握电容传感器工作原理和类型,掌握电容传感器输出特性，即传感器的输入输出特性；,熟悉电容式传感器的主要测量电路，能对电路进行分析；,了解电容式传感器的设计要点,了解电容式传感器的应用举例,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,认识各种电容式传感器,硅微电容式传感器,测量管道液位高度,认识各种电容式传感器,3.1,电容传感器工作原理和类型,0,：,真空介电常数,r:,：,极板间介质相对介电常数,：,极板间距离,s,：,极板面积,3.1,电容传感器工作原理和类型,(1),变极距型传感器,3.1,电容传感器工作原理和类型,(2),变面积型传感器,3.1,电容传感器工作原理和类型,(3),变介质型传感器,3.2,电容传感器输出特性,1.,变极距型,初始电容,当 减小 时,电容,C,增加,C,0,C,C,关系曲线过程,电容相对变化,3.2,电容传感器输出特性,1.,变极距型（）,传感器灵敏度,:,3.2,电容传感器输出特性,1,变极距型（）,讨论：,灵敏度,K,与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏 度愈高。,电容量,C,与极距,呈非线性关系，减小初始极距将引起非线性误差,只适合于微位移的测量。,初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此,极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。,为提高灵敏度和改善非线性，一般采用,差动结构,。,3.2,电容传感器输出特性,1.,变极距型（,）,差动结构的电容特征方程式为：,相对非线性误差为,结论：,差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍,;,非线性误差减小,.,3.2,电容传感器输出特性,2.,变面积型（,S,）,平板电容：当动极板移动,X,后两极板间电容量为：,初始电容,电容的相对变化量,b,a,x,3.2,电容传感器输出特性,2,变面积型（,S,）,结论：,变面积式电容传感器灵敏度,K,为常数；,输出特性为线性；,适合大位移测量。,平板变面积型电容传感器灵敏度,3.3.2,电容传感器输出特性,3.,变介电常数式（,）,d,不变，,改变，如：,测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。,不变，,d,改变，如：,测量纸张、绝缘薄膜等的,厚度,d,0,r,s,气隙,3.2,电容传感器输出特性,3.,变介电常数式（,）,测液位高度,1,：,液体介质的介电常数,0,:,空气的介电常数；,H:,电极板的总长度；,d,、,D,：,电极板的内、外径；,R,p,R,C,L,C,R,C,：,串联损耗电阻。引线电阻、金属极板电阻等。,R,p,：,并联电阻。直流漏电阻、气隙介质损耗等。,L,：,电容器及引线电感。,电容传感器测量必须在同样条件下进行。,改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。,传感器有效电容计算：,3.3,等效电路,C,e,R,e,L,r,e,C,e,（,1,）交流电桥,3.4,测量电路,平衡条件为,（,2,）变压器电桥,等效电路图,说明：,Z,时，,U=f(,），,成线性关系,U,SC,与,U,Sr,有关，所以必须交流稳压。,需要放大、解调、滤波。,E,1,E,2,C,1,C,2,I,1,I,2,I,f,Z,f,3.4,测量电路,（,3,）二极管双,T,形电路,电路原理如图,(a),。供电电压是幅值为,U,E,、,周期为,T,、,占空比为,50,的方波。,C,2,U,E,(,b,),R,R,R,L,C,2,C,1,VD,1,VD,2,i,C,1,i,C,2,+,+,U,E,(,a,),C,1,C,1,C,2,U,E,R,L,R,L,R,R,R,R,+,+,+,+,i,C,1,i,C,2,i,C,1,i,C,2,当,U,E,为,正半周,时,二极管,V,D1,导通、,V,D2,截止,于是电容,C,1,充电,;,在随后负半周出现时,电,容,C,1,上的电荷通过电阻,R,负载电阻,R,L,放电,流过,R,L,的电流为,。,在,负半周,内,V,D2,导通、,V,D1,截止,则电容,C,2,充电,;,在随后出现正半周时,C,2,通过电阻,R,负载电阻,R,L,放电,流过,R,L,的电流为,。,根据上面所给的条件,则电流,=,且方向相反,在一个周期内流过,R,L,的,平均电流为零,。,3.4,测量电路,同理，负半周时电容,C,1,的平均电流,:,在,R,（,RR,L,）,/,（,R,R,L,）,C,2,T,/2,时,电流,i,C2,的平均值,I,C2,可以写成下式：,故在负载,R,L,上产生的电压为：,电容,C2,上的电流：,电路特点：,线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；,电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；,输出阻抗为,R,，,而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；,适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。,（,4,）差动脉冲调宽电路,又称,差动脉宽,(,脉冲宽度,),调制电路,利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。,R,2,双稳,态触,发器,VD,1,VD,2,A,1,A,2,A,B,R,1,C,1,C,2,u,AB,F,Q,Q,U,r,差动脉冲调宽电路,G,3.4,测量电路,t,u,A,u,A,u,B,u,B,u,AB,u,AB,U,F,U,F,U,G,U,G,U,r,U,r,U,r,U,r,-U,1,U,1,T,1,U,1,-U,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,T,2,U,1,U,1,U,1,U,1,T,1,T,2,t,t,t,t,t,t,t,t,t,(,a,),(,b,),差动脉冲调宽电路各点电压波形图,U,0,U,AB,经低通滤波后，得到直流电压,U,0,为,U,A,、,U,B,A,点和,B,点的矩形脉冲的直流分量；,T,1,、,T,2,分别为,C,1,和,C,2,的充电时间；,U,1,触发器输出的高电位。,C,1,、,C,2,的充电时间,T,1,、,T,2,为,设,R,1,R,2,R,，则,结论：,输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。,U,r,触发器的参考电压。,（,5,）运算放大器式电路,特点：能够克服变极距型电容式传感器的非线性。,将,C,x,=,代入上式得,-,A,u,o,C,C,x,u,运算放大器式,电路原理图,负号,表明输出与电源电压反相。显然，,输出电压,与电容极板,间距,成,线性关系,，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数,A=,，,输入阻抗,Z,i,=,，,因此仍然存在一定的非线性误差，但一般,A,和,Z,i,足够大，所以这种误差很小。,3.4,测量电路,3.5,主要性能和设计要点,（一）,主要性能,1,、,静态灵敏度,被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。对于变极距型其静态灵敏度,k,g,为,对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为：,变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为,结论,：,1.,变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内（,1cm,至零点几,mm,），而且,最大应小于极板间距,的,1,/,5,1,/,10,。只有当,(,/,PL,时，膜片,PL,向弯曲，,C1C2,，；,PH C2,；,将这种电容变化通过电路转换为电压变化,3.6,电容式传感器的应用举例,2,电容式压力传感器,电容传感器盒膜结构片,3.3.3,电容式传感器的应用举例,3,电容测厚仪,电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。,带材是电容的动极板，总电容,C1+C2,作为桥臂。,带材只是上下波动时,Cx,=C1+C2,总的电容量不变；带材的厚度变化使电容,Cx,变化。,3.3.3,电容式传感器的应用举例,4,电容测位移,3.3.3,电容式传感器的应用举例,5.,智能型电容传感器,硅微型电容传感器结构,硅电容差压传感器,硅电容差压变送器,6.,电容式接近开关,电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。,