CH3电容式传感器学习教案

1、会计学1CH3电容式传感器电容式传感器第一页，共42页。2022-6-252第1页/共42页第二页，共42页。2022-6-2533.1 3.1 电容式传感器的工作电容式传感器的工作(gngzu)(gngzu)原理和结构原理和结构 由绝缘由绝缘(juyun)介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器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 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极极板间介质的相对介电常数；板间介质的相对介电常数； S两平行两平行(png

2、xng)板所覆盖的面板所覆盖的面积；积； d两平行两平行(pngxng)板之间的距离板之间的距离。 +dS 第2页/共42页第三页，共42页。2022-6-254+第3页/共42页第四页，共42页。2022-6-255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(xngsh)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)则为变介电常数则为变介电常数型。型。第4页/共42页第五页，共42页。2022-6-256第5页/共42页第六页，共42页。2022-6-257驻极体电

3、容驻极体电容(dinrng)(dinrng)传声器传声器 它采用聚四氟乙烯材料它采用聚四氟乙烯材料(cilio)(cilio)作为振动膜作为振动膜片。这种材料片。这种材料(cilio)(cilio)经特殊电处理后，表面永经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故久地驻有极化电荷，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、性能优名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。越、使用方便。 第6页/共42页第七页，共42页。2022-6-258第7页/共42页第八页，共42页。2022-6-259第8页/共42页第九页，共42页。2022-6-25

4、10式中：式中：g云母云母(ynm)的相对介电常数，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云母云母(ynm)片的厚度。片的厚度。 此时此时(c sh)电容电容C变为：变为：第9页/共42页第十页，共42页。2022-6-2511电介质材料电介质材料(cilio)的相对介电常数的相对介电常数 第10页/共42页第十一页，共42页。2022-6-2512p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，其击穿电压不小于倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间

5、起始距离。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，可大大减小。同时，dg/0g项是恒定项是恒定(hngdng)值，值， 它能使传感器它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。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， 极板间距极板间距离在离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移故在微位移测量中应用最广。测量中应用最广。 第11页/共42页第十二页，共42页。2022-6-251322dSdCKs222()()22SSSSCddddddSddSd

6、dddddddddSdd 第12页/共42页第十三页，共42页。2022-6-2514直线位移直线位移(wiy)测量测量第13页/共42页第十四页，共42页。2022-6-2515第14页/共42页第十五页，共42页。2022-6-2516第15页/共42页第十六页，共42页。2022-6-2517第16页/共42页第十七页，共42页。式中：式中：空气空气(kngq)介电常数；介电常数； C0变换器初始电容值变换器初始电容值, 即即 第17页/共42页第十八页，共42页。2022-6-2519第18页/共42页第十九页，共42页。2022-6-2520电容量的变化电容量的变化(binhu)与电

7、介质与电介质r2的移动量的移动量L成线性关成线性关系。系。 第19页/共42页第二十页，共42页。2022-6-2521电容式传感器应用电容式传感器应用(yngyng)第20页/共42页第二十一页，共42页。电容式接近电容式接近(jijn)开关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测量头构成电容器的一个(y )(y )极极板，另一个板，另一个(y )(y )极板是物体本身极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和，当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，使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态也随之得和测量

8、头相连的电路状态也随之发生变化发生变化. .接近开关的检测物体，并接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。液体或粉状物体。第21页/共42页第二十二页，共42页。2022-6-2523第22页/共42页第二十三页，共42页。2022-6-2524第23页/共42页第二十四页，共42页。2022-6-2525第24页/共42页第二十五页，共42页。2022-6-2526第25页/共42页第二十六页，共42页。2022-6-2527第26页/共42页第二十七页，共42页。2022-6-2528第27页/共42页第二十八页，共42页。2022

9、-6-2529 设设C1=C2=C3=CX=C,则则CX改变改变(gibin)时：时：321CCCCX00U第28页/共42页第二十九页，共42页。2022-6-2530第29页/共42页第三十页，共42页。2022-6-2531输出电压与电容输出电压与电容(dinrng)传感器的间隙成线性关传感器的间隙成线性关系。系。 第30页/共42页第三十一页，共42页。2022-6-2532第31页/共42页第三十二页，共42页。2022-6-2533 二极管双T形交流电桥 第32页/共42页第三十三页，共42页。2022-6-2534 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。

10、其电路工作(gngzu)原原理如下：当理如下：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，于是截止，于是电容电容C1充电，其等效电路如图（充电，其等效电路如图（b）所示；在随后负半周出）所示；在随后负半周出现时，电容现时，电容C1上的电荷通过电阻上的电荷通过电阻R1，负载电阻，负载电阻RL放电，流放电，流过过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，则截止，则电容电容C2充电，其等效电路如图（充电，其等效电路如图（c）所示；在随后出现正半）所示；在随后出现正半周时，周时， C2通过电阻通过电阻R2，负载电阻，负载电阻RL放

11、电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I2 。根据上面所给的条件，则电流。根据上面所给的条件，则电流I1=I2，且方向相反，在一，且方向相反，在一个周期内流过个周期内流过RL的平均电流为零。的平均电流为零。 第33页/共42页第三十四页，共42页。2022-6-2535 若传感器输入不为若传感器输入不为0，则，则C1C2, I1I2, 此时在一个周期内通此时在一个周期内通过过RL上的平均电流不为零，上的平均电流不为零， 因此产生因此产生(chnshng)输出电压，输输出电压，输出电压在一个周期内平均值为出电压在一个周期内平均值为 式中, f 为电源(dinyun)频率。 第34页/共42页第三

12、十五页，共42页。p可见，输出电压可见，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与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，输出的差值有关。当电源电压确定后，输出电压电压Uo是电容是电容C1和和C2的函数。该电路输出电压较高，当电源频的函数。该电路输出电压较高，当电源频率为率为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，可以变化，可以在在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，故输入电源要求稳电路的灵敏度与电源电压幅值和频

13、率有关，故输入电源要求稳定。定。 当当U幅值较高，使二极管幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而无关，而仅与仅与R1、 R2及及RL有关，约为有关，约为1100k。输出信号的上升沿时间。输出信号的上升沿时间(shjin)取决于负载电阻。对于取决于负载电阻。对于1 k的负载电阻上升时间的负载电阻上升时间(shjin)为为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页第三十六页，共42页。2022-6-2537当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容(dinrng)传感器，这时被测物是电容(dinrng)器的一个电极，另一个电极