电容式传感器.ppt

自动检测技术,李莉平7号楼306670067,第四章电容式传感器,教学要求1.掌握电容传感器的结构及原理；2.熟悉电容传感器的测量电路；3.了解电容传感器的应用（压力、液位及流量的测量）。,4.1电容式传感器,1.结构原理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为式中A两极板相互遮盖的有效面积；d两极板间的距离，也称为极距；两极板间介质的介电常数；r两极板间介质的相对介电常数；0真空的介电常数，0=8.8510-12(F/m)。,2.分类在A、d、三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成变面积式、变极距式、变介电常数式电容传感器。,变面积式,变极距式,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。,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？,思考题,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,几种介质的相对介电常数,根据上表分析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？可以用于测量什么非电量？,思考题,电容及电容增量小,4.2电容式传感器,使用测量电路,变压器电桥电路,差分脉冲调宽电路,运算放大器电路,交流不平衡电桥电路,1.变压器电桥电路,交流不平衡电桥电路,二极管双T形交流电路,将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。,变压器式电桥使用元件少，桥路内阻小，因此目前较多采用，适合于高频电源下工作。,特点,输出电压与电容变化值C具有什么样的关系？,当C1=C0C，C2=C0+C时，输出电压：U0=ZC2U/（ZC1+ZC2）U/2=（U/2）（ZC2ZC1）/（ZC1+ZC2）=（U/2）（C1C2）/（C1+C2）=（U/2）（C/C0）,差分结构,电桥初始状态调至平衡，当传感器电容C变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的幅值随C而变化。,二极管双T形交流电路,VD1、VD2相同；R1=R2；C1、C2为差分电容，无输入时二者相等。,供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50的方波。,若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被充电、电容C2的电压初始值为UE，则电容C2的电流：,同理，负半周时电容C1的平均电流:,故在负载RL上产生的电压为：,输出电压与电容变化值C具有什么样的关系？,2.差分脉冲调宽电路（脉冲调制电路）,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。,图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，UF为参考电压。,相等,不相等,UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为,UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间T1、T2为,设R1R2R，则,输出电压与电容变化值C具有什么样的关系？,差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。,特点,差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性，这是十分可贵的性质。,输出电压公式的形式与交流不平衡电桥电路相同，但本质的区别为交流不平衡电桥电路输出电压为交流电，而脉冲调宽电路输出电压为直流电。从而可直接判别位移大小和方向。,3.运算放大器电路,由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,能够克服变极距型电容式传感器的非线性。运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。,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。,要求放大器开环放大倍数K和Zi足够大；且须使用交流稳压电源；输出要经整流成直流输出，故变化电路复杂。,特点,4.3保持电容式传感器性能稳定的方法,实际应用过程中，电容传感器的特性不稳定，易受温度、电容电场边缘效应、寄生电容等因素影响，严重时传感器甚至无法工作，因此需采用一定的办法来减小这些影响。,引申小知识,大家都用过收音机。当你搜寻电台时有没有想过，收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？如果打开收音机的后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的是一个旋转式可变电容器。当你顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电容量C也就越来越小，如图所示，谐振频率也随之改变,从而可以从550kHz逐渐增加到1650kHz，就可以从一个电台转换到另一个电台。在数字式收音机中，是用变容二极管来调谐电台的。电容器在电子仪表中作为元器件来使用；在非电量电测中作为测量位移的传感器来使用。,4.4电容式传感器应用,1.电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p=gh,2.加速度测量,运动物体的速度变化造成电容两极板的间距改变,当固定电极感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。,加速度传感器在汽车中的应用,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。,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,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。,汽车气囊对驾驶员的保护作用,利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,