电容——第七章ppt课件

1、应用：压力、差压、液位、位移、加速度、成分含量等应用：压力、差压、液位、位移、加速度、成分含量等Sd介电常数CO电容式传感器结构图d原理：被测非电量转换原理：被测非电量转换为电容量的变化为电容量的变化品种：变极距品种：变极距d d、变、变面积面积S S、变介、变介质质 特点：非接触式测量，分辨率高、体积小、结构简单、灵敏度高，适特点：非接触式测量，分辨率高、体积小、结构简单、灵敏度高，适合在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作合在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作SCde= ：电容极板间介质的介电常数；：电容极板间介质的介电常数；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

2、之间的距离：两平行板之间的距离当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为0000()rrrax bCCCdabxbdd C与x间呈线性关系 电容式角位移传感器 0000dsCr0000(1)(1)rsCCd 当=0时 当0时传感器电容量C与角位移间呈线性关系，但如果输出是 ，则是非线性关系。 01Xj CdDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容 电容式液位传感器 电容与液位的关系为： 02010021)(dLLLbCCCrr当L=0时，传感器的初始电容 0000000100dbLdbLCr当被测电介质进入极板间

3、L深度后，引起电容相对变化量为02000) 1(LLCCCCCr电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr非线性关系 假设d/d1时，则式3.3.3可简化为 ddCCC00若极距缩小d 最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性初始电容变极距变极距(型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) ()2lnLCDdp e=1变面积式电容变换器：用来测角位移和线位移变面积式电容变换器：用来测角位移和线位移输入输出特性：输入输出特

4、性：灵敏度：灵敏度：理论线性度：理论线性度：2变介电常数式电容变换器：变介电常数式电容变换器：0SCdeD=D 介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。测量用传感器。0CSdeD=D0SCKconstSdeD=D0Ld=3变间隙式电容变换器，用来测线位移。变间隙式电容变换器，用来测线位移。输入输出关系具有严重非线性。输入输出关系具有严重非线性。2300000000230000000111,CSdddCCCddddddddddddCCCdd

5、ddde轾骣骣DDD犏鼢珑鼢+ D=-+-+珑犏鼢珑鼢D珑+ D桫桫犏+臌轾骣骣DDDDD犏鼢珑鼢D=-+-+ -珑犏鼢珑鼢珑桫桫犏臌灵敏度：灵敏度：2000/SCKCdS ddeD= -= -DCx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 运算放大器式电路原理图uC-ACxu0由运算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()( )/xCSd0 uCudS 结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为 1

6、2121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中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TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln式中 Ur触发器的参考电压 设R1=R2=R，则得 UCCCCUr01212设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2 差动变极距型差动变面积型 21021EddUUddEUSSSSU12210)(212101CCCCLLCfi当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，)(21010CCCLfi当被测信号不为零

7、时，c0，此时频率为 ffCCCCLfi001)(21具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE 若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路UERRRULLEiC2C2U0RRLR供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下: ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112ddiURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流

8、iC2的平均值IC2可以写成 故在负载RL上产生的电压为 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为 ITRRRRU CCLLE1112 等“寄生电容却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度传感器密封，用以防尘、防潮采用差动结构、测量电路来减小温度等误差2x工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后 通过光电转换元件变换成电信号。辐射源光学通路光电元件1x12I物理学中认为光是由分离的能团光子组成波粒子能量：Ehf所谓光电

9、效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子，因而，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，即20012kEmvhfA8.1.1 光电管8.1.2 光电倍增管8.1.3 光敏电阻8.1.4 光敏二极管和光敏晶体管8.1.5 光电池8.1.6 光电式传感器的应用当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。子流，在外电路中便产生了电流。真空光电管的伏安特性真空光电管

10、的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成：光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极 当无光照时，光敏电阻值当无光照时，光敏电阻值(

11、暗电阻暗电阻)很大，电路中电流很小很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值当有光照时，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少，电流迅速增加急剧减少，电流迅速增加1.玻璃玻璃 2.光电导层光电导层 3.电极电极 4.绝缘衬底绝缘衬底 5.金属壳金属壳 6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃 7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。在带有玻璃的壳体中。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏

12、度。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，由于光

13、敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。 硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性 121212%100)(CRTTRR温度系数温度系数: 在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率光敏电阻阻值的平均变化率 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 8.1.1 光电管8.1.2 光电倍增管8.1.3 光敏电阻8.1.4 光敏二极管和光敏晶体管8.1.5 光电池8.1.6 光电式传感器的应用光敏二极管光敏二极管硅和锗光敏二极晶体管的

14、光谱特性硅和锗光敏二极晶体管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应 4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用 负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽 硅光电池具有较高的频率响应硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4