CH电容式传感器实用PPT学习教案

1、会计学1CH电容式传感器实用电容式传感器实用2021-9-22第1页/共42页2021-9-233.13.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为，如果不考虑边缘效应，其电容量为 dSC式中式中: 电容极板间介质的介电常数，电容极板间介质的介电常数， =0r，其中，其中0为真空介电常数，为真空介电常数，r极板间介质的相对介电常数；极板间介质的相对介电常数； S两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。 +

2、dS 第2页/共42页2021-9-24+第3页/共42页2021-9-25图图4-1 电容式传感元件的各种结构形式电容式传感元件的各种结构形式图图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和和(h)为变面积型，为变面积型， 图图(a)和和(e)为变极距型，为变极距型， 图图(i)(l)则为变介电常数型。则为变介电常数型。第4页/共42页2021-9-26第5页/共42页2021-9-27驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电

3、容传声器极板，故名为驻极体电容传，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。 第6页/共42页2021-9-28dddCddddSdSddSC0)(ddCC02dSdCKsdC第7页/共42页2021-9-29第8页/共42页2021-9-210000ddSCgg式中：式中：g云母的相对介电常数，云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度；空气隙厚度； dg云母片的厚度。云母片的厚度。 此时电容此时电容C变为：变为：第9页/共42页2021-9-211电介质材料的相对介电

4、常数电介质材料的相对介电常数 第10页/共42页2021-9-212p云母片的相对介电常数是空气的云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小倍，其击穿电压不小于于1000 kV/mm，而空气仅为，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，极板间起始距离可大大减小。同时，dg/0g项是恒定值项是恒定值， 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 p 一般变极距电容式传感器的起始电容在一般变极距电容式传感器的起始电容在20100pF之间之间， 极板间距离在极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于

5、间的范围内。最大位移应小于间距的距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。故在微位移测量中应用最广。 第11页/共42页2021-9-21322dSdCKs222()()22SSSSCddddddSddSddddddddddSdd 第12页/共42页2021-9-214dSdSdSSC)(满足线性关系。与可见：SCdSCKs灵敏度为：dbCKCdbCs直线位移测量直线位移测量第13页/共42页2021-9-215drCKrddSCs2222第14页/共42页2021-9-216)/ln(2dDhC)/ln(2)/ln(2)/ln(2dDhdDhdDhhC)/ln(2dDhCKs第15页/共42

6、页2021-9-217AC0第16页/共42页式中：式中：空气介电常数；空气介电常数； C0变换器初始电容值变换器初始电容值, 即即 dDnHC120DdHh1111022()2()2()211111hhhHhHCCDDDDDnnnnnddddd第17页/共42页2021-9-219第18页/共42页2021-9-220LdbCdLbdLbdLLLbCCCrrrrrrr012000012000010002010021)()()(电容量的变化与电介质电容量的变化与电介质r2的移动量的移动量L成线性关系。成线性关系。 第19页/共42页2021-9-221电容式传感器应用电容式传感器应用第20页/

7、共42页电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和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，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化态也随之发生变化. .接近开关的接近开关的检测物体，并不限于金属导体检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状，也可以是绝缘的液体或粉状物体。物体。第21页/共42页2021-9-223第22页/共42页2021

8、-9-224ppepeCCLCCCCCjLjCj2111第23页/共42页2021-9-225LCCCe21CLCCLCdCdCee222211,)1 (1222211LCkdLCCdCksee第24页/共42页2021-9-226第25页/共42页2021-9-227第26页/共42页2021-9-228LCf21 CCLf2341f振荡电路测量电路LC第27页/共42页2021-9-229 CC421112233233220UCCCCUCCCUUUxxx 设设C1=C2=C3=CX=C,则则CX321CCCCX00U第28页/共42页2021-9-230第29页/共42页2021-9-23

9、1输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。 /CiUoUiCxCxS dCiUoUidS 第30页/共42页2021-9-232VD2VD1eC1C2ABR2R1RL(a)第31页/共42页2021-9-233 二极管双T形交流电桥 UR2RLR1I1I2(b)C1C2(c)UR1RLR2C1C21I2I第32页/共42页2021-9-234 当传感器没有输入时，当传感器没有输入时，C1=C2。其电路工作原理如下：当。其电路工作原理如下：当e为正半周时，二极管为正半周时，二极管VD1导通、导通、VD2截止，于是电容截止，于是电容C1充电，充电，其等效电路如图

10、（其等效电路如图（b）所示；在随后负半周出现时，电容）所示；在随后负半周出现时，电容C1上上的电荷通过电阻的电荷通过电阻R1，负载电阻，负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I1。当当e为负半周时，为负半周时，VD2导通、导通、VD1截止，则电容截止，则电容C2充电，其等效充电，其等效电路如图（电路如图（c）所示；在随后出现正半周时，）所示；在随后出现正半周时， C2通过电阻通过电阻R2，负载电阻，负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I2 。根据上面所给的条。根据上面所给的条件，则电流件，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过，且方向相反，在一个周期内流过

11、RL的平均的平均电流为零。电流为零。 第33页/共42页2021-9-235 若传感器输入不为若传感器输入不为0，则，则C1C2, I1I2, 此时在一个周期此时在一个周期内通过内通过RL上的平均电流不为零，上的平均电流不为零， 因此产生输出电压，输出因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为电压在一个周期内平均值为 120121 ( )( )(2)()()ToLLLLLiLUI RI tI t dtRTR RRRUfCCRR式中, f 为电源频率。 第34页/共42页)()()2(2常数MRRRRRRLLL12()oiUUf M CCp可见，输出电压可见，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和

12、频率有关，而且不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与与T形网络中的电容形网络中的电容C1和和C2的差值有关。当电源电压确定后的差值有关。当电源电压确定后，输出电压，输出电压Uo是电容是电容C1和和C2的函数。该电路输出电压较高，的函数。该电路输出电压较高，当电源频率为当电源频率为1.3 MHz，电源电压，电源电压U=46V时，电容在时，电容在-77 pF变化，可以在变化，可以在1M负载上得到负载上得到-55V的直流输出电压。的直流输出电压。p电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。求稳定。 当当U幅值较高，使二极管幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与无关，而仅与R1、 R2及及RL有关，约为有关，约为1100k。输出信。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1 k的负载电阻上升的负载电阻上升时间为时间为20s左右，左右， 故可用来测量高速的机械运动。故可用来测量高速的机械运动。第35页/共42页2021-9-237当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往