项目三电容传感器

,Page,*,*,Page,1,2024/11/15,项目二,电容式传感器,【,项目目标与要求,】,知识目标：,1,掌握电容传感器的结构和工作原理；,2,了解电容式传感器的应用情况。,4,掌握,电容式传感器的,实用电路,技能要求：,1,学会用电容式传感器测量位移；,2,学会电容测厚仪的使用；,3,学会电容接近开关的设计方法与应用电路。,Page,2,2024/11/15,项目四 电容式传感器项目引入,电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅,(,可测至,0.05m,的微小振幅,),，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。,当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用,单,电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。,电容式传感器是利用电容器的原理将被测非电量转换为电容量的变化，实现非电量到电量的转化。根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：变间隙式、变面积式和变介电常数式,Page,3,2024/11/15,项目四 电容式传感器项目引入,测厚仪作为一种在线测量板材厚度的高精密仪器，在整个轧机的厚控系统中占着非常重要的地位。它为轧机的,AGC,系统提供实时厚度偏差信号，信号的准确度与分辨力直接影响了压扎板材的厚度质量。,Page,4,2024/11/15,第一节,电容式传感器的工作原理及结构形式,项目四 电容式传感器知识准备,电容传感器的基本理想公式为,改变,A,、,d,、,三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量,C,改变。,固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。,电容式传感元件的各种结构形式,项目四 电容式传感器知识准备,电容式传感器传感元件,一、变面积式电容传感器,项目四 电容式传感器知识准备,图,a,是平板形直线位移式结构，其中极板,1,可以左右移动，称为动极板。极板,2,固定不动，称为定极板。图,b,是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图,c,是一个角位移式的结构。极板,2,的轴由被测物体带动而旋转一个角位移,度时，两极板的遮盖面积,A,就减小，因而电容量也随之减小。,变面积式电容传感器的特性,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,项目四 电容式传感器知识准备,二、变极距式电容传感器,项目四 电容式传感器知识准备,二、变极距式电容传感器,当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离,d,，从而使电容量发生变化。,实际使用时，总是使初始极距,d0,尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。,项目四 电容式传感器知识准备,变极距式电容传感器的特性曲线,a,）结构示意图,b,）,电容量与极板距离的关系,1,定极板,2,动极板,从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当,d0,小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距,d0,较小时，它的测量范围变大还是变小？,项目四 电容式传感器知识准备,为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响，常采用差动式电容传感器,上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板,未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。,差动式结构,1,2,S,差动平板式电容传感器结构,项目四 电容式传感器知识准备,项目四 电容式传感器知识准备,例,:,解：,1,）,2,）,S,1,*,S,2,*,C=,100*5*0.01=5,格,一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径,r,=4mm,，工作初始间隙,d,=0.3mm,，介电常数,=8.8510,-12,F/m,，试求：,1),工作中，若传感器与工件的间隙减小量,d,=2m,电容变化量是多少,?,2),若测量电路的灵敏度,S,1,=100mv/PF,读数仪表的灵敏度,S,2,=5,格,/,mv,当,d,=2m,时，读数仪表示值变化多少格,?,项目四 电容式传感器知识准备,常用变介质型电容传感器的结构型式如下图所示。,用途：,测量纸张、绝缘薄膜等的厚度,测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度,项目四 电容式传感器知识准备,三、变介电常数式,三、变介电常数式,表,4-1,几种介质的相对介电常数,项目四 电容式传感器知识准备,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。,变介电常数式电容传感器的用途,根据表,4-1,，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？,项目四 电容式传感器知识准备,电容传感器的特点：电容量小，变化更小（,PF,级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。,电桥电路,调频电路,谐振电路,运算放大器式电路,脉冲宽度调制电路,第二节,电容式传感器的,测量转换电路,项目四 电容式传感器知识准备,U,C,r,1,C,（,a,）,R,R,U,0,（,c,）,U,C,r,1,C,r,2,U,0,L,L,C,r,1,（,b,）,C,U,0,U,C,C,r,2,项目四 电容式传感器知识准备,第二节,电容式传感器的测量转换电路,（,电桥电路,）,另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。,C,r,1,C,r,2,U,0,U,（,d,）,变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。,项目四 电容式传感器知识准备,第二节,电容式传感器的测量转换电路,（,电桥电路,）,电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出。,第二节,电容式传感器的测量转换电路,（,电桥电路,）,项目四 电容式传感器知识准备,传感器电容是振荡器,谐振回路,的一部分。当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的,振荡频率,发生变化。频率的变化经过,鉴频器,变为,电压变化,，再经过,放大,后由记录器,记录,或,显示,仪表指示。,项目四 电容式传感器知识准备,第二节,电容式传感器的测量转换电路,（,调频电路,）,特点：,电路比较灵敏；工作点不易选好，且变化范围窄；,连接电缆,杂散电容,对电路的影响大；,为提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性,电容传感器的电容,C,x,作为谐振电路,(,或,),调谐电容的一部分。,此谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器获得振荡电压。,当传感器的电容,Cx,发生变化，谐振回路的阻抗也发生相应变化，并被转换成整流器电流的变化。,该电流经过放大、检波即可得到输出。,为了获得较好的线性，一般工作点应选择在谐振曲线一边最大振幅的,70,附近的,准线性区域,内。,项目四 电容式传感器知识准备,第二节,电容式传感器的测量转换电路,（,谐振电路,）,运算放大器式电路原理图,特点能将变间隙电容式传感器的,非线性特性,转换为,线性关系,项目四 电容式传感器知识准备,第二节,电容式传感器的测量转换电路,（,运放电路,）,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,电容量的变化,而变化。,C,1,、,C,2,传感器的差,动电容；,U,r,参考电压。,电压比较器,A,1,、,A,2,双稳态触发器,电容充放电回路,常用于差动式电容传感器,项目四 电容式传感器知识准备,第二节,电容式传感器的测量转换电路,(,脉宽调制,电路,）,第三节,电容式传感器的应用,项目四 电容式传感器知识准备,电容器的容量受三个因素影响，即：极距,x,、相对面积,A,和极间介电常数,。固定其中两个变 量，电容量,C,就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。,6.5,电容式传感器的,应用,第三节,电容式传感器的应用（差动电容式压力传感器）,项目四 电容式传感器知识准备,差动式电容加速度传感器结构图,第三节,电容式传感器的应用（电容式加速度传感器）,项目四 电容式传感器知识准备,当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使,C,1,、,C,2,产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。,电容式加速度传感器的主要特点是,频率响应快,和,量程范围大,，大多采用空气或其它气,体作阻尼物质。,第三节,电容式传感器的应用（电容式加速度传感器）,项目四 电容式传感器知识准备,加速度传感器在汽车中的应用,装有传感器的假,人,气囊,项目四 电容式传感器知识准备,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的,负加速度值超过设定值时,，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,汽车气囊的保护作用,项目四 电容式传感器知识准备,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,项目四 电容式传感器知识准备,汽车气囊对驾驶员的保护作用,电容,式传感器,下图是改变极板间,介质,的电容式传感器的一种应用，用于测量液位高低，其结构原理图如下：,式中：,C,0,由传感器的基本尺寸,决定的初始电容值；,空气介电常数。,第三节,电容式传感器的应用（电容式液位传感器）,项目四 电容式传感器知识准备,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,则此时变换器电容值为：,项目四 电容式传感器知识准备,可见，变换器的,电容增量,C,正比于,被测液位高度,h,。,第三节,电容式传感器的应用（电容式液位传感器）,电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。,选用带同轴接地管全绝缘探头。,电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。,选用带同轴接地管全绝缘探头。,项目四 电容式传感器知识准备,第三节,电容式传感器的应用（电容式液位传感器）,第三节,电容式传感器的应用（电容式液位传感器）,项目四 电容式传感器知识准备,第三节,电容式传感器的应用（电容式液位传感器）,项目四 电容式传感器知识准备,电容测厚传感器是用来对,金属带材,在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器,C,1,、,C,2,。,把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为,C,1,+,C,2,，,如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。,项目四 电容式传感器知识准备,第三节,电容式传感器的应用（电容式测厚传感器）,电容测厚传感器是用来对,金属带材,在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器,C,1,、,C,2,。,把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为,C,1,+,C,2,，,如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。,第三节,电容式传感器的应用（电容式测厚传感器）,项目四 电容式传感器知识准备,差动式