第5章 电容式式传感器（课件）- 《传感器检测技术》同步教学（机工版）

传感器与检测技术 第五章　 电容式传感器 电容器基础知识 平板电容器 柱形电容器 思考：两个平板电容C1，C2串联及并联后的电容值各是多少？ 电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。 广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。 特点： 结构简单、体积小、分辨率高； 可实现非接触式测量； 动态响应好； 能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作； 电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。 应用领域及特点 5.1电容传感器的工作原理 电容传感器的理想公式： ε d A ε：电容极板间介质的介电常数，ε=ε0·εr，ε0为真空介电常 数，εr为极板间介质相对介电常数； A：两平行板所覆盖的面积； d：两平行板之间的距离。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器→变面积型、变间隙型、和变介电常数型。 ε d A 改变A、d、ε三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。 5.1电容传感器的工作原理 5.1电容传感器的工作原理 角位移 板状 筒形 5.1.1变面积型电容传感器 角位移式电容传感器 当动片角位移  时，覆盖面积S就改变 当  = 0时： 当   0时： 这种类型的传感器电容 与角位移成线性关系 灵敏度： 5.1电容传感器的工作原理 1、角位移型 5.1电容传感器的工作原理 直线位移式电容传感器 初始电容： 当动极板移动x： 灵敏度： 2直线位移型 5.1电容传感器的工作原理 本图也是变面积式电容传感器，是右下图的变形 其灵敏度为单极板的n倍。 5.1电容传感器的工作原理 5.1.2变介质型电容传感器 因为各种介质的相对介电常数不同，所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。这种传感器可用来测量物位或液位，测量厚度，也可测量位移。 ε1：液体介质的介电常数 ε: 空气的介电常数； H : 电极板的总长度； d、D：电极板的内、外径； 电容量C与位移h呈线性关系! 5.1电容传感器的工作原理 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 5.1电容传感器的工作原理 5.1.2变介质型电容传感器 可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。 5.1电容传感器的工作原理 5.1.3 变极距型电容传感器 初始电容： 1-动极板 2-定极板 当动极板1移动向定极板2移动x，其电容值CX为： 这里电容量C与X不是线性关系 5.1电容传感器的工作原理 当 时， 则： 此时输入输出呈线性关系，但量程缩小很多 5.1电容传感器的工作原理 一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。 可测量位移精度：0.01微米到0.1微米。 变极距型电容式传感器的非线性特性： 5.1电容传感器的工作原理 灵敏度为： 5.1电容传感器的工作原理 非线性误差： 如仅保留前两项： 5.1电容传感器的工作原理 变间隙式 变面积式 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差大都采用差动式结构。 5.1电容传感器的工作原理 灵敏度为： 5.1电容传感器的工作原理 非线性误差： 灵敏度得到一倍的改善 线性度得到改善 5.1电容传感器的工作原理 5.2电容传感器的测量电路 用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有：二极管双T形交流电桥、脉冲调制电路、调频电路、变压器电桥、运算放大器等电路。 5.2.1调频电路 5.2电容传感器的测量电路 5.2.2 变压器电桥测量电路 5.2电容传感器的测量电路 5.2.2 运算放大器测量电路 如果传感器是一只平板电容, 则Cx =εA/d 说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。 5.2电容传感器的测量电路 5.2.3 双梯形二极管测量电路 当传感器没有输入时： C1＝C2 一个周期内流过负载的平均电流为0 当传感器有输入时： C1！＝C2 一个周期内流过负载的平均电流为不为0，负载上电压也不为0。 这种电路有点是：电路简单，响应速度快 5.2电容传感器的测量电路 5.2.4 脉冲宽度调制电路 C1＝C2 C1C2 且C1＞