传感器技术课件——电容式传感器.ppt

1,4.4 电容式传感器,采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。,实际上是一个 具有可变参数 的电容器,电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、物位、压力、成份分析、介质特性等方面的测量。,2,学习要点,1.掌握电容式传感器的类型（根据工作原理）、特点及其应用； 2.了解电容式传感器的测量电路； 3.了解电容式传感器的特点； 4.了解电容式传感器的应用,3,1. 工作原理及类型,用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时其电容C为：,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,4,（1） 极距变化型,变极距型传感器常常是一块极板固定而使另一块极板移动，从而改变极距以引起电容的变化。,因此电容器传感器的灵敏度为：,灵敏度与极距的平方值成反比，极距越小时灵敏度越高。 为减小非线性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。,5,为减小非线性误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作以便获得近似的线性关系。一般取极距变化范围为 减小可以提高灵敏度。但过小易导致电容器击穿。可在极间加一层云母片或塑料膜来改善电容器耐压性能。,6,为提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等），常采用差动式结构。,在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板的距离均为,7,设可动极板上移 ，则 增大， 减小。,电容的总变化量为：,灵敏度为：,可见，采用差动式电容传感器，灵敏度提高一倍，非线性得到改善。,变极距型差动电容传感器,8,（2） 面积变化型,9,A ) 角位移式电容传感器,可见，电容值与角位移 呈线性关系。,此时，传感器的灵敏度k为：,当两极板相对角位移为 时，,10,B ) 直线位移式电容传感器,当两极板相对距离为x时，电容量：,传感器的灵敏度为：,11,C ) 圆柱体线位移式电容传感器,随动板圆柱的位移，定板圆柱与动板圆柱之间的覆盖面积发生变化，从而电容量发生变化。,两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：,当覆盖长度变化时，,通过A）B）C）的分析可得出结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即具有良好的线性，但灵敏度较变极距型低。大多数用来检测较大直线位移及角位移等参数。,变面积式电容传感器也采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。,12,（3） 介质变化型,当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。,这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度、液面高度等，也可用来测量介质材料的湿度、介电常数等。,A ) 电容测厚仪,这种传感器的电容量等于两个电容 和 相串联,13,此时 为空气相对介电常数， 为待测体的相对介电常数，当厚度 不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪。,如果待测体的介电常数 不变时，可作测厚仪使用。,14,B ) 电容液面计,两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：,这类传感器常常采用同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。,15,设容器中介质是不导电液体（如果是导电液体，则电极需绝缘）,总的电容 相当于上方气体介质间的电容量 和液体介质间电容量 之和（相并联）。,可见，同轴圆筒电容传感器的电容量与液位成线性关系。,16,电容式传感器的电容值一般十分微小，不便于直接显示、记录和传输。因此，必须借助于测量电路检测出这个微小的电容变量，并转换为电压、电流或频率信号。,2. 电容式传感器的测量电路,与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有桥式电路、调频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。,17,（一） 交流电桥,电容传感器阻抗,18,电桥初始平衡条件：,当被测参数引起传感器阻抗变化 时，,代入初始平衡条件，化简：,对于电容传感元件来说，有如下关系：,19,变压器式交流电桥,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。 差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移均成线性关系。,20,（二） 调频振荡电路,这种电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容传感器的电容调制故称为调频电路。,这种电路具有抗干扰性强，灵敏度高等优点； 但缺点是电缆电容的影响较大。,21,（三） 运算放大器电路,当运放的输入阻抗很高，增益很大时，认为输入电流 ，则,从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性。,该电路要求固定电容 必须稳定，信号源电压必须采取稳压措施,22,（四）脉冲调宽型电路,该电路由比较器A1 A2，双稳态触发器及电容充放电回路组成。,C1、C2为差动电容，双稳态触发器的两个输出端A、B作为差动脉冲宽度调制电路的输出，为宽度受C1、C2调制的方波脉冲 。,特点：,1. 不需要附加调制器即能获得直流输出；,2. 输出信号一般为100kHz1MHz的矩形波，所以直流输出只需要经过低通滤波器简单引出；,23,3. 电容式传感器的应用,（一）电容测厚仪,当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，则 发生变化。 增大，表示板材厚度变厚； 减小，表示板材厚度变薄。 的变化经过电桥调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放大后，一方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差信号送给压力调节器，使板材厚度控制在规定范围内。,24,（二）电缆偏心测量,图为测量电缆芯的偏心原理图，在实际应用中是用两对电容传感器，分别测出在x方向和y方向的偏移量，再经计算得出偏心值。,25,（三）电容式压力传感器,它由金属弹性膜片与镀金凹型玻璃圆片组成。当被测压力P通过过滤器进入空腔时，由于弹性膜片两侧的压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个镀金玻璃圆片与弹性膜片间的电容量。,26,如何求？,27,对于一个球面平面型电容器，在忽略边缘效应时，可用单元积分法求出,28,上述差动式电容传感器配置二极管环行检波电路，即可输出（420）mA标准电流信号。,稳幅放大器,比例放大器,恒压恒流源,电流转换器