第6章電容式傳感器PPT課件VIP

1、6.1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式相對介電常數(shù)介質(zhì)、真空中介電常數(shù)、極板間距極板相對覆蓋面積當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時00rrdAdAdAC第1頁/共41頁電容式傳感器的電容極板之間存在靜電場。由于極板邊緣效應(yīng)的存在，使邊緣處的電場分布不均勻，造成電容的邊緣效應(yīng)，這相當(dāng)于在傳感器的電容里并聯(lián)了一個附加電容，邊緣效應(yīng)不僅使電容式傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量減小并消除電容邊緣效應(yīng)的影響。 第2頁/共41頁根據(jù)電容器變化參數(shù)的不同，分為3種類型： 變間隙式：測量微?。?.01m-零點幾m m ）線位移； 變面積式：測量角位移或較大線位移； 變介電常數(shù)式：測量液位、固體厚度、介質(zhì)濕度、密度

2、。第3頁/共41頁第4頁/共41頁6.1.1 變間隙式電容傳感器dAdACr0第5頁/共41頁000003020000000000000001)()()(1 /1/)ddd(ddCdCSddCCddddddddddddddCCdAddACdACn傳感器靈敏度得近似線性關(guān)系當(dāng)電容相對變化，電容增量設(shè)減小當(dāng)初始電容母、塑料膜。介電常數(shù)的材料，如云為此，極板間可采用高穿或短路，但容易引起電容器擊應(yīng)減小可見，要提高靈敏度，0d第6頁/共41頁22102211021/111ddAddACCCC有了云母片，極板間起始距離可大大減小。第7頁/共41頁。差，應(yīng)增大可見，要減小非線性誤）（則相對非線性誤差）（若

3、考慮線性項與二次項得近似線性關(guān)系00020000000302000000%100|%100|1, 1)()()(1 /1/dddddddddddCCddCCddddddddddddddCC非線性誤差分析第8頁/共41頁差動式電容傳感器%100)(22000dddCdCSn非線性誤差傳感器靈敏度第9頁/共41頁差動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：p靈敏度提高一倍；p非線性誤差大大下降；p還能減小靜電引力帶來的誤差，改善環(huán)境影響造成的誤差。第10頁/共41頁6.1.2 變面積式電容傳感器（1）角位移式dACCCdACdAC電容增量時，當(dāng)時，當(dāng)000)1 (00可見，電容量與角位移成線性關(guān)系。第11頁/共41頁（2）直

4、線位移式dbxCSxdbCCCdxbCdxabCdbaCnxx靈敏度000)( 增大極板邊長b，減小間隙d，都可以提高靈敏度。但邊長a過大，邊緣效應(yīng)會影響線性特性。第12頁/共41頁6.1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器（1）測量液位正比于被測液位高度可見，變換器電容增量此時變換器電容dDhCdDhCdDhdDhdDhHdDhCln2ln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011第13頁/共41頁（2）測量紙張、絕緣薄膜厚度或糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)濕度成線性關(guān)系。的移動量質(zhì)可見，電容變化量與介電容相對變化量初始電容總電容量LLLCCCCCdbLCdLLLbCCCrrrr2) 1

5、()(000000000000021221變介電常數(shù)式測線位移第14頁/共41頁01d0d1如果0 為空氣介電常數(shù)， 1為待測體介電常數(shù)，當(dāng)待測體介電常數(shù)1不變時，此時電容傳感器可作為測厚儀。第15頁/共41頁6.2 電容式傳感器的等效電路Rp極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗 Rs引線電阻、電容器支架、極板電阻損耗L電容器本身電感和外部引線電感 因此，它有一個諧振頻率，傳感器要正常工作，應(yīng)選擇低于傳感器諧振頻率的工作頻率，否則，電容器不能正常工作。第16頁/共41頁6.3 6.3 電容式傳感器的信號調(diào)理電路電容式傳感器的信號調(diào)理電路 1. 電橋電路電橋電路2.2.調(diào)頻電路調(diào)頻電路3.3.諧振電路諧振

6、電路4.4.運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路5.5.脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路6.6.正反饋同相積分電路正反饋同相積分電路To Two目的：傳感器電容值非常微小，必須通過信號調(diào)理電路將微小電容變換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸。第17頁/共41頁1. 1. 電橋電路電橋電路濾波K相敏檢波L1L2C1C2To 4.2.3C1、C2是差動電容傳感器的兩個電容，另外兩個臂可以是電阻、電感、電容，也可以是變壓器的兩個次級線圈。第18頁/共41頁 電路靈敏度和穩(wěn)定性較高，且寄生電容影響小，因此簡化屏蔽和接地，適于高頻工作，應(yīng)用很廣泛。但電橋輸出電壓幅值小，輸出阻抗高

7、，其后必須接高輸入阻抗放大器才能工作。00ddEU第19頁/共41頁 將傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使電容量發(fā)生變化后，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化，通過鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)化為振幅的變化，經(jīng)放大后用儀表指示。2. 調(diào)頻電路特點：抗外界干擾強(qiáng)，特性穩(wěn)定。第20頁/共41頁To 4.2.3調(diào)頻振蕩器傳感器混頻器限幅放大器鑒頻器非線性校正輸出 f0fz調(diào)頻振蕩器fb直放式調(diào)頻電路方框圖第21頁/共41頁第22頁/共41頁ffCCCLLCfCCCLCCCLf02010212010)C(2121)(21器的振蕩頻率被測量不為零時，振蕩：傳感器初始電容：傳感器引線分布電容：振蕩回路固定電容：振

8、蕩回路電感調(diào)頻振蕩器的固有頻率第23頁/共41頁3. 諧振電路 將傳感器電容C3作為諧振回路調(diào)諧電容（L2、C2、C3）一部分第24頁/共41頁特點：靈敏度高；缺點：工作點不易選取，變化范圍較窄；傳感器與諧振回路要離得較近，否則電纜雜散電容對電路影響大；要求振蕩器頻率穩(wěn)定，否則對測量精度影響大。第25頁/共41頁4. 4. 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 特點：特點： 能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性，使能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性，使VX 成線性關(guān)成線性關(guān)系系。To 4.2.3iu 0CxCou oIxII-K第26頁/共41頁5. 脈沖寬度調(diào)制電路 第27頁/共41頁6.4 6.

9、4 影響電容傳感器精度因素及提高精度的措施影響電容傳感器精度因素及提高精度的措施 To Two6.4.1. 溫度的影響1) 對結(jié)構(gòu)尺寸的影響 原因：溫度變化引起部分零件尺寸變化，導(dǎo)致極板間隙或面積變化，產(chǎn)生附加電容。 制造時，選用溫度系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料，如陶瓷或石英上噴鍍一層金屬作為電極。第28頁/共41頁 2) 對介電常數(shù)的影響 原因：介質(zhì)的介電常數(shù)有不為零的溫度系數(shù)，產(chǎn)生附加電容。 可由后續(xù)測量線路進(jìn)行補(bǔ)償，但不可完全消除。第29頁/共41頁使傳感器靈敏度下降使傳感器靈敏度下降輸出產(chǎn)生零位漂移輸出產(chǎn)生零位漂移To Two6.4.2 6.4.2 漏電阻漏電阻l選用絕緣性能良好的材料作

10、兩極板支架，如陶瓷、石英等；l采用高的激勵電源頻率，降低傳感器內(nèi)阻抗。 電容式傳感器的電容量很小，如果激勵頻率較低時，內(nèi)阻抗就很高，所以絕緣問題就很突出。一般的絕緣電阻將被看做是對電容式傳感器的一個旁路，與之并聯(lián)，稱為漏電阻。第30頁/共41頁使傳感器靈敏度下降使傳感器靈敏度下降非線性增加非線性增加To Two6.4.3 6.4.3 邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)l增大初始電容，即增大極板面積或減小極板間距l(xiāng)加裝等位環(huán)第31頁/共41頁寄生電容：電容器極板與周圍物體之間產(chǎn)生的電容聯(lián)系。寄生電容：電容器極板與周圍物體之間產(chǎn)生的電容聯(lián)系。危害：使傳感器電容改變，導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，從而帶來危害：使傳感器電容改

11、變，導(dǎo)致傳感器特性不穩(wěn)定，從而帶來干擾。干擾。To Two6.4.4 6.4.4 寄生電容的影響寄生電容的影響l縮短傳感器至測量線路前置級的距離，即集成化。第32頁/共41頁l驅(qū)動電纜法（等電位屏蔽法）l內(nèi)屏蔽層與芯線通過1：1放大器而等電位，從而消除芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。l一般用于當(dāng)電容傳感器的電容值很小，而因某些原因，測量電路只能與傳感器分開時，可采用這種方法。第33頁/共41頁l整體屏蔽法將整個電橋用一個統(tǒng)一的屏蔽罩保護(hù)起來第34頁/共41頁1.1.電容式測微儀電容式測微儀 用以測量金屬表面狀況、用以測量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等參數(shù)，一距離尺寸、振幅等參數(shù)，一般采用單極式變間隙

12、電容傳般采用單極式變間隙電容傳感器感器, ,即被測物體作為傳感器即被測物體作為傳感器的一個極板，另一個極板在的一個極板，另一個極板在傳感器內(nèi)，最小檢測量為傳感器內(nèi)，最小檢測量為0.010.01m m。6.5 電容式傳感器的應(yīng)用第35頁/共41頁2.2.差動電容式壓力傳感器差動電容式壓力傳感器To Two（動電極）（固定電極）（固定電極） 當(dāng)被測壓力或壓差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，形成一個差動式極距型傳感器。第36頁/共41頁3.電容式液位傳感器第37頁/共41頁4.硅電容式加速度傳感器 當(dāng)有加速度施加時，活動極板（質(zhì)量塊）將產(chǎn)生微小位移，引起電容變化，此由開關(guān)電容電路檢測形成兩路脈寬調(diào)制信號。而這種脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生的靜電力總是阻值活動電極偏離零位，且與加速度成正比。第38頁/共41頁6.6 小結(jié)小結(jié)電容式傳感器有如下特點 參數(shù)變化大、極低的內(nèi)耗性能參數(shù)變化大、極低的內(nèi)耗性能 、高的動態(tài)響應(yīng)。、高的動態(tài)響應(yīng)。To Two 電容式傳感器缺點 寄生電容影響大、非線性。 本章需掌握的重點 1）工作原理及結(jié)構(gòu)型式； 2）C的特性； 3）等效電路； 4）影響精度的因素及提高精度的措施； 5）信號調(diào)節(jié)電路。第39頁/共41頁如圖4，某單組式變面積型圓柱形結(jié)構(gòu)線位移電容傳感器，外圓筒內(nèi)半徑 ，內(nèi)圓筒外半徑 ，兩極筒遮蓋長度為 ，極筒間介質(zhì)為空氣（真空介電常數(shù)