第4章电容式传感器

现在是1页\一共有72页\编辑于星期日现在是2页\一共有72页\编辑于星期日现在是3页\一共有72页\编辑于星期日4电容式传感器现在是4页\一共有72页\编辑于星期日现在是5页\一共有72页\编辑于星期日4电容式传感器4.1工作原理与结构4.2灵敏度及非线性4.3电容~等效电路4.4电容~测量电路4.5电容传感器的应用4/15/2023现在是6页\一共有72页\编辑于星期日4.1工作原理与结构现在是7页\一共有72页\编辑于星期日电容传感器的变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化。4.1工作原理与结构被测物理量位移/振动/压力/液高/角度介质极距面积电容量变化电压/电流4/15/2023现在是8页\一共有72页\编辑于星期日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：+++dA4.1工作原理与结构P99.图4-14/15/2023现在是9页\一共有72页\编辑于星期日电容式传感元件的各种结构形式4.1工作原理与结构4/15/2023现在是10页\一共有72页\编辑于星期日++++++1变极距型电容式传感器4.1工作原理与结构4/15/2023现在是11页\一共有72页\编辑于星期日4.1工作原理与结构4/15/2023现在是12页\一共有72页\编辑于星期日电容式传声器的电路原理4/15/2023现在是13页\一共有72页\编辑于星期日4.1工作原理与结构4/15/2023现在是14页\一共有72页\编辑于星期日若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，则电容量增大了ΔC：4.1工作原理与结构4/15/2023现在是15页\一共有72页\编辑于星期日CDC1DC2ODd1Dd2CDC1DC2ODd1Dd2d电容量与极板间距离的关系4.1工作原理与结构P100.图4-24/15/2023现在是16页\一共有72页\编辑于星期日可以看出，Δd/d0<<1时，1-(Δd/d0)2≈1，有：此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。4.1工作原理与结构4/15/2023现在是17页\一共有72页\编辑于星期日放置云母片的电容器εg=7，ε0=1。4.1工作原理与结构P100.图4-44/15/2023现在是18页\一共有72页\编辑于星期日2变面积型电容式传感器4.1工作原理与结构P101.图4-64/15/2023现在是19页\一共有72页\编辑于星期日电容相对变化量为：4.1工作原理与结构4/15/2023现在是20页\一共有72页\编辑于星期日电容式角位移传感器原理图4/15/2023现在是21页\一共有72页\编辑于星期日可以看出，传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。4.1工作原理与结构4/15/2023现在是22页\一共有72页\编辑于星期日4.1工作原理与结构3变介质型电容式传感器4/15/2023现在是23页\一共有72页\编辑于星期日变介质型电容式传感器P102.图4-84/15/2023现在是24页\一共有72页\编辑于星期日当被测介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为:可见，电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。4.1工作原理与结构4/15/2023现在是25页\一共有72页\编辑于星期日液位传感器4/15/2023现在是26页\一共有72页\编辑于星期日4.1工作原理与结构4/15/2023现在是27页\一共有72页\编辑于星期日4/15/2023现在是28页\一共有72页\编辑于星期日4.1工作原理与结构Dd检测电路测定电极储罐ε0ε1h4/15/2023现在是29页\一共有72页\编辑于星期日4.2灵敏度与非线性现在是30页\一共有72页\编辑于星期日对于变极距型，电容的相对变化量为当|Δd/d0|<<1时，上式可按级数展开，可得：4.2灵敏度与非线性4/15/2023现在是31页\一共有72页\编辑于星期日|Δd/d0|<<1时可略去高次项，得到近似的线性关系：电容传感器的灵敏度为：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。4.2灵敏度与非线性4/15/2023现在是32页\一共有72页\编辑于星期日4.2灵敏度与非线性动手计算：参考图P100,4-5,计算差动式变极距电容结构的灵敏度？详细计算及结果。5分钟~~~~4/15/2023现在是33页\一共有72页\编辑于星期日差动平板式电容传感器结构图：e0e0d1d2C1C2A4.2灵敏度与非线性S=?4/15/2023现在是34页\一共有72页\编辑于星期日4.3等效电路现在是35页\一共有72页\编辑于星期日电容式传感器的等效电路：并联损耗电阻串联损耗电阻电感L由电容器本身电感和外部引线电感组成，高频应用中尤须考虑。4.3等效电路寄生电容4/15/2023现在是36页\一共有72页\编辑于星期日由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该选择远离谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。4.3等效电路4/15/2023现在是37页\一共有72页\编辑于星期日忽略损耗电阻，传感元件的有效电容Ce为：有效电容的变化ΔCe为：4.3等效电路4/15/2023现在是38页\一共有72页\编辑于星期日在这种情况下，电容的实际相对变化量为：这表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L的角频率ω有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。4.3等效电路4/15/2023现在是39页\一共有72页\编辑于星期日边缘效应4/15/2023现在是40页\一共有72页\编辑于星期日寄生电容4/15/2023现在是41页\一共有72页\编辑于星期日4.4测量电路现在是42页\一共有72页\编辑于星期日调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,电容量发生变化时，振荡器的振荡频率随之变化。由于频率系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，便于记录。调频电路4.4测量电路4/15/2023现在是43页\一共有72页\编辑于星期日调频式测量电路原理框图固有频率：4.4测量电路4/15/2023现在是44页\一共有72页\编辑于星期日4.4测量电路4/15/2023现在是45页\一共有72页\编辑于星期日调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。4.4测量电路4/15/2023现在是46页\一共有72页\编辑于星期日4.4测量电路电桥电路UCr1Cr2U0LLCr1CU0UCCr2UCr1CRRU0Cr1Cr2U0UP106.图4-154/15/2023现在是47页\一共有72页\编辑于星期日4.4测量电路Cr1Cr2USC放大振荡器相敏检波滤波器变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。4/15/2023现在是48页\一共有72页\编辑于星期日4.4测量电路二极管双T形交流电桥P107.图4-18式4-334/15/2023现在是49页\一共有72页\编辑于星期日脉冲宽度调制电路4.4测量电路P108.图4-194/15/2023现在是50页\一共有72页\编辑于星期日脉冲宽度调制电路电压波形。4.4测量电路P108.图4-204/15/2023现在是51页\一共有72页\编辑于星期日运算放大器式电路4.4测量电路P109.图4-21式4-37,384/15/2023现在是52页\一共有72页\编辑于星期日环形二极管电容测量电路原理图环形二极管充放电法4.4测量电路4/15/2023现在是53页\一共有72页\编辑于星期日4.5电容传感器的应用现在是54页\一共有72页\编辑于星期日4/15/2023现在是55页\一共有72页\编辑于星期日4/15/2023现在是56页\一共有72页\编辑于星期日4/15/2023现在是57页\一共有72页\编辑于星期日电容式压力传感器差动式电容压力传感器结构图4.5电容传感器的应用4/15/2023现在是58页\一共有72页\编辑于星期日凹玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极PP弹性膜片(动电极)固定电极hmaxd0CACLCHC0PHPL4/15/2023现在是59页\一共有72页\编辑于星期日4/15/2023现在是60页\一共有72页\编辑于星期日电容式加速度传感器4.5电容传感器的应用4/15/2023现在是61页\一共有72页\编辑于星期日弹簧片定极板2质量块（动极板）定极板1绝缘体aC1C2m4/15/2023现在是62页\一共有72页\编辑于星期日测振幅测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器4/15/2023现在是63页\一共有72页\编辑于星期日差动式电容测厚传感器4/15/2023现在是64页\一共有72页\编辑于星期日电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容4.5电容传感器的应用4/15/2023现在是65页\一共有72页\编辑于星期