第章电容传感器ppt课件

1、 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第三章 电容式传感器 电容式传感器的根本原理是将被丈量的电容式传感器的根本原理是将被丈量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。转换电路变成电信号输出。第一节第一节 电容式传感器原理电容式传感器原理dAC1.变面积式变面积式 2.变间隙式变间隙式 3.变介电常数式变介电常数式 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 一、变面积式电容传感器一、变面积式电容传感器 电容：电容： 第二节第二节 电

2、容式传感器的类型与特性电容式传感器的类型与特性xdbCdxabC0 x0-bCCCxddbxCK 电容增量：电容增量：丈量灵敏度：丈量灵敏度：提高灵敏度的途径？添加b，或减小d 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation变面积式电容传感器的派生方式：变面积式电容传感器的派生方式：xCC00ACCCdabdxabnCdxbnCdbnK000CCCCCCArrKddd 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation变面积电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线性关系！这一类传感器多用于检测直线位移、角位移

3、、尺寸等参量。变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 二、变间隙式电容传感器二、变间隙式电容传感器xdAC0 xdAC2222200011)()(dxdxxddxdCxdxdxddCxddCdx 显然，显然， 时，时， ，于是，于是022dxdxCC10定极板定极板动极板动极板 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 只需只需 时，变间隙式时，变间隙式电容传感器才是近似线性的。电容传感器才是近似线性的。而为了提高灵敏度，总是使而为了提高灵敏度

4、，总是使初始极距初始极距d0尽量小些，但这尽量小些，但这也带来了变极距式电容器的也带来了变极距式电容器的行程较小的缺陷。并且行程较小的缺陷。并且d过小过小又容易引起击穿，加工精度又容易引起击穿，加工精度要求也很高。实践运用中，要求也很高。实践运用中，为了提高灵敏度，减小非线为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式构造。性，可采用差动式构造。变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性dx 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、变介电常数式电容器：三、变介电常数式电容器： 由于各种介质的相对介电常数不同，所由于各种介质的相对介电常数不同

5、，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容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。器的电容量也就不同。表表3-1 3-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway TransportationxBACCC相当于两电容并联：相当于两电容并联：2211ddbxCA其中：其中：121)(ddxlbCB2110ddblC取取x=0时电容为时电容为C0，有，有经过改动介质面积改动介电常数经过改动介质面积改动介电常数 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 电容与电容与x

6、的关系推导如下：的关系推导如下：12102211ddbxCddbxCCCBAxddlCC212121001结论：电容与位移结论：电容与位移x x之间呈线性关系。之间呈线性关系。 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation当某种介质处于两极板间时，介质厚度 越厚，电容量也就越大。当介质厚度坚持不变、而相对介电常数r改动，如空气湿度变化，介质吸入潮气 r水1时，电容量将变大。当被测液体绝缘体的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质上半部分为空气，下半部分为液体的高度变化，因此导致总的电容量变化。因此，变介电常数式电容传

7、感器可以检测片状资料的厚度、性质，含水量以及丈量液体的液位等。 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation差动电容传感器构造表示图a差动变极距式 b差动变面积式1动极板 2定极板从热胀冷缩和电源电压动摇、频率动摇等方面，分析差动电容传感器的益处：1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。2、外界的影响诸如温度、鼓励源电压、频率变化等也根天性相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差补充：差动电容传感器补充：差动电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第三节第三节 电容式传感器丈量电路电容式传感器

8、丈量电路一、普通交流电桥一、普通交流电桥二、紧耦合电感臂电桥二、紧耦合电感臂电桥三、变压器电桥三、变压器电桥四、双四、双T T电桥电桥五、运算放大器式丈量电路五、运算放大器式丈量电路六、脉冲调制电路六、脉冲调制电路七、调频电路七、调频电路 电桥式电桥式 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation一、普通交流电桥：要求提供幅值和一、普通交流电桥：要求提供幅值和频率很稳定的交流电源，并要求电桥频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗很高放大器的输入阻抗很高 电容电容变化变化交流交流电压电压变化变化初始初始电电桥桥平平衡衡交流交流电压电压放大放

9、大检出检出直流直流电压电压滤掉滤掉交流交流分量分量直流直流电电压压输输出出ZiZiZ ZiZZZZZZZUZZU)(211210 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation二、紧耦合电感臂电桥：抗干扰才干强，稳定性高，二、紧耦合电感臂电桥：抗干扰才干强，稳定性高，适宜高频适宜高频 电源下任务电源下任务LZKZZKZZZKZZKZZKZUZZU)1 ()1 ()1 (211)1 (1 )1 (1 12121212120Z ZZLZL为为电桥电桥负载负载阻抗阻抗LjZ12CjZ12CjCZLjZ12LjMLjK)(1 轨道交通学院轨道交通学院 Sch

10、ool of Railway Transportation三、变压器电桥：运用元件最少，三、变压器电桥：运用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采桥路内阻最小，因此目前较多采用。用。111CjZ221CjZ1Z2ZI21ZZUI21212112221202222CCCCUZZZZUUZZZUUUUC差动式差动式 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway TransportationddUCCCCUU2221210ddAC1ddAC2假设变压器电桥的假设变压器电桥的Z1、Z2采用两个变间隙电容差动采用两个变间隙电容差动式，有式，有输出电压与位移呈线性关系输出电压与位移呈线性关

11、系处理了单个变极距型电容传感器处理了单个变极距型电容传感器的非线性问题的非线性问题 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation四、双四、双T T电桥电桥双双T电桥电路电桥电路0U正半周：正半周：C1充电，充电，C2放电放电差动式负载+i C1i C2 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation负半周：负半周：C2充电，充电，C1放电放电在负半周时，二极管在负半周时，二极管V2V2导通、导通、V1V1截止，电容截止，电容C2C2很快被充电至很快被充电至电压电压U U；电源经电阻；电源经电阻R2R2以以

12、i1i1 向负载电阻向负载电阻RLRL供电，与此同时，供电，与此同时，电容电容C1C1经电阻经电阻R1R1、负载电阻、负载电阻RL RL 放电，流过放电，流过RL RL 的放电电流为的放电电流为i2i2。流过。流过RLRL的总电流的总电流iLiL为为i1i1 和和i2i2的代数和。的代数和。 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation假设假设C1=C2，R1=R2=R，那么正、负半周对称那么正、负半周对称VU00)()()2(2120CCfURRRRRRULLL00UV假设假设C1或或C2变化时，变化时，那么正、负半周不再对称那么正、负半周不再对

13、称CfUKU0或：或：输出电压输出电压平均值：平均值： 双双T T电桥特点：电路有一个公共接地点；二极管任务电桥特点：电路有一个公共接地点；二极管任务于线性任务段；输出电压高；丈量灵敏度与电源频率有于线性任务段；输出电压高；丈量灵敏度与电源频率有关；可以用于动态丈量。关；可以用于动态丈量。 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation五、运算放大器式丈量电路五、运算放大器式丈量电路xxiCCCjCjUU00011dACxAdCuCCuuixi000 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation六、脉冲调

14、制电路六、脉冲调制电路ru原原1 1充电充电原原0 0升压升压变变1 10 01 11U输出限幅输出限幅 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation初始初始C1=C2，M、N等间隔等间隔0、1翻转，翻转， 输出平均电压为输出平均电压为0。假设假设C1、C2不等，不等，M、N翻转将不再等间翻转将不再等间隔，输出平均电压会向正或负偏离：隔，输出平均电压会向正或负偏离：121210UCCCCU可见：输出电压与电容变化成线性关系可见：输出电压与电容变化成线性关系 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation

15、UddU100 USSU100 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation)(21010CCCCLf初始振荡频率：初始振荡频率：电容改动电容改动C C后的振荡频率：后的振荡频率：)(2101CCCCCLff七、调频电路：把电容式传感器与电感元件构成振荡器谐七、调频电路：把电容式传感器与电感元件构成振荡器谐振电路。当电容量发生变化时，振荡频率发生变化，经过振电路。当电容量发生变化时，振荡频率发生变化，经过鉴频电路将频率的变化转化振幅的变化，经放大器进展显鉴频

16、电路将频率的变化转化振幅的变化，经放大器进展显示。示。振荡电感振荡电感固定电容固定电容传感器电容传感器电容电缆分布电容电缆分布电容振荡频率振荡频率变化变化电压电压变化变化 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway

17、 Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第三节第三节 电容式传感器的运用电容式传感器的运用 电容器的容量受三个要素影响，即：电容器的容量受三个要素影响

18、，即：极距极距x、相对面积、相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固。固定其中两个变定其中两个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变就是另一个变量的一元函数。只需想方法将被测非电量转量的一元函数。只需想方法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以经过丈量电容量这个电参数来到达非电量以经过丈量电容量这个电参数来到达非电量电测的目的。电测的目的。 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation一、电容式位移传感器一、电容式位移传感器测杆测杆固定电极固定电极活动电极活动电极开槽片簧开槽片簧差动式变

19、面积型位移传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation二、电容式压力传感器：变极距型二、电容式压力传感器：变极距型PP 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、电容式加速度传感器三、电容式加速度传感器-差动式变极距型差动式变极距型固定电极固定电极固定电极固定电极质量块质量块m m质量块质量块m m 弹簧片弹簧片+ +C C- -C C 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation加速度传感器在汽车中的运用加速度传感器在汽车中的运用 加速度传感

20、器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。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越设定值时，当测得的负加速度值超越设定值时， 微处置器据此判微处置器据此判别发生了碰别发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式平安气撞，于是就启动轿车前部的折叠式平安气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。部。 装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation汽车气囊对驾驶员的维护作用汽车气囊对驾驶员的维护作用 轨道交通学院轨道交通学院 School

21、 of Railway Transportation利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延延时起爆的钻地炸弹时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation四、电容式液位传感器四、电容式液位传感器绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极不导电液体不导电液体导电液体导电液体绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极变介电常数型变介电常数型变面积型变面积型 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电容式液位计电容式液位计 棒状电极金属管棒状电极金属管外面包裹聚四氟乙烯套外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容与导电液体之间的电容变大。变大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套 轨道交通学院轨道交通学院 School of Rail