Ch電容式傳感器第三解析實用

會計學(xué)1Ch電容式傳感器第三解析實用本章主要內(nèi)容電容式傳感器的工作原理和主要性能電容式傳感器的特點和設(shè)計要點電容式傳感器等效電路電容式傳感器測量電路電容式傳感器的應(yīng)用第1頁/共59頁3.3.1電容式傳感器的工作原理1.工作原理及類型2.變極距型電容式傳感器3.變面積型電容傳感器4.變介電常數(shù)型電容傳感器第2頁/共59頁什么是電容器？電容器有兩個用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真空隔開的電導(dǎo)體構(gòu)成。電容導(dǎo)體上的電荷導(dǎo)體之間的電壓差電容器式傳感器是一種將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器？第3頁/共59頁1.工作原理+++A兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:

當(dāng)被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。？第4頁/共59頁電容式傳感器極距變化型電容傳感器面積變化型電容傳感器介質(zhì)變化型電容傳感器第5頁/共59頁圓筒形極板電容器,它的電容量為:第6頁/共59頁2.變極距型電容傳感器第7頁/共59頁2.變極距型電容傳感器若極距縮小Δδ非線性隨極板間距的減小而增大第8頁/共59頁2.變極距型電容傳感器提高靈敏度應(yīng)減小間距電容器擊穿非線性誤差增大：在極板間放置云母片：采用差動型靈敏度隨極板間距的減小而增大第9頁/共59頁2.變極距型電容傳感器差動型第10頁/共59頁2.變極距型電容傳感器第11頁/共59頁3.變面積型電容傳感器差動結(jié)構(gòu)變面積型板狀線位移變面積型角位移變面積型筒狀線位移變面積型結(jié)構(gòu)型式第12頁/共59頁3.變面積型電容傳感器傳感器靈敏度直線位移型靈敏度為常數(shù)(1)板狀線位移變面積型第13頁/共59頁傳感器靈敏度角位移型靈敏度為常數(shù)3.變面積型電容傳感器(2)角位移變面積型第14頁/共59頁3.變面積型電容傳感器(3)筒狀線位移變面積型第15頁/共59頁3.變面積型電容傳感器（4）差動結(jié)構(gòu)變面積型第16頁/共59頁4.變介電常數(shù)型電容式傳感器第17頁/共59頁4.變介電常數(shù)型電容式傳感器插入板料厚度和極板間距相等第18頁/共59頁4.變介電常數(shù)型電容式傳感器插入板料厚度為d第19頁/共59頁4.變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容電容式液位傳感器第20頁/共59頁3.3電容式傳感器3.3.1電容式傳感器的工作原理3.3.2電容式傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.3電容式傳感器等效電路3.3.4電容式傳感器測量電路3.3.5電容式傳感器的應(yīng)用第21頁/共59頁3.3.2傳感器的特點和設(shè)計要點

1.特點2.設(shè)計要點第22頁/共59頁1、特點優(yōu)點:1.溫度穩(wěn)定性好2.結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強3.動態(tài)響應(yīng)好4.可以實現(xiàn)非接觸測量第23頁/共59頁動態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小

可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度。可以做得很靈敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，減小了慣性

其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電

系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。第24頁/共59頁缺點： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差

傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達(dá)106～108。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響

2、寄生電容影響大

傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度第25頁/共59頁2.設(shè)計要點減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能消除和減小邊緣效應(yīng)消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾盡可能采用差動式電容傳感器低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)第26頁/共59頁(1)減小溫度、濕度誤差、保證高的絕緣性能

選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝

電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)）電介質(zhì)：空氣或云母（介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0）傳感器密封：用以防塵、防潮采用差動結(jié)構(gòu)、測量電路來減小溫度等誤差第27頁/共59頁(2).消除和減小邊緣效應(yīng)危害：靈敏度降低、產(chǎn)生非線性適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比很大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍第28頁/共59頁等位環(huán)結(jié)構(gòu)邊緣電場均勻電場3321帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1、2－電極3－等位環(huán)第29頁/共59頁(3)消除和減小寄生電容的影響，

防止和減少外界干擾（a）屏蔽和接地（b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點接地，避免多點接地第30頁/共59頁(5)差動技術(shù)的運用 減小非線性誤差 提高傳感器靈敏度 減小寄生電容的影響 溫度、濕度等環(huán)境因素的影響第31頁/共59頁3.3電容式傳感器3.3.1電容式傳感器的工作原理3.3.2電容式傳感器主要性能3.3.3電容式傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容式傳感器等效電路3.3.5電容式傳感器測量電路3.3.6電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7容柵式傳感器第32頁/共59頁低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略等效電容C=C0+Cp，等效電阻Re≈Rg

CRg第33頁/共59頁高頻等效電路電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中C=C0+Cp，而re≈r

reCL第34頁/共59頁由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此時電容傳感器的等效靈敏度為當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨ω變化而變化。第35頁/共59頁3.3電容式傳感器3.3.1電容式傳感器的工作原理3.3.2電容式傳感器主要性能3.3.3電容式傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容式傳感器等效電路3.3.5電容式傳感器測量電路3.3.6電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7容柵式傳感器第36頁/共59頁3.3.5電容式傳感器測量電路

普通交流電橋耦合電感電橋變壓器電橋雙T二極管交流電橋交流電橋電路運算放大器式電路調(diào)頻電路調(diào)幅電路調(diào)寬電路第37頁/共59頁(1)調(diào)頻電路第38頁/共59頁(1)調(diào)頻電路振蕩回路固有電容引線分布電容傳感器電容第39頁/共59頁當(dāng)被測信號為零時，△C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測信號不為零時，△c≠0，此時頻率為具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強第40頁/共59頁(2)運算放大器式電路最大特點：能克服變極距型電容傳感器的非線性Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號運算放大器式電路原理圖第41頁/共59頁(2)運算放大器式電路第42頁/共59頁由運算放大器工作原理可知結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性

假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=

因此仍然存在一定的非線性誤差， 但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。

第43頁/共59頁(3)二極管雙T型電路

電源為正半周D1短路D2開路，電容C1被充電影響不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE

第44頁/共59頁電路的特點:①線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；④適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。第45頁/共59頁3.3電容式傳感器3.3.1電容式傳感器的工作原理3.3.2電容式傳感器主要性能3.3.3電容式傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容式傳感器等效電路3.3.5電容式傳感器測量電路3.3.6電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7容柵式傳感器第46頁/共59頁3.3.6電容式傳感器的應(yīng)用

(1)電容式差壓傳感器(2)電容式振動位移傳感器(3)電容式加速度傳感器第47頁/共59頁P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可

第48頁/共59頁電容式位移傳感器應(yīng)用

第49頁/共59頁231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度電容式加速度傳感器第50頁/共59頁電荷平衡式位移傳感器

可變電壓VM與測頭的位置成比例已在類似于孔徑測量儀等便攜式測量工具中應(yīng)用。第51頁/共59頁3.3電容式傳感器3.3.1電容式傳感器的工作原理3.3.2電容式傳感器主要性能3.3.3電容式傳感器的特點和設(shè)計要點3.3.4電容式傳感器等效電路3.3.5電容式傳感器測量電路3.3.6電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7容柵式傳感器第52頁/共59頁3.3.7容柵式傳感器(1)基本類型及工作原理(2)容柵傳感器電極的結(jié)構(gòu)形式第53頁/共59頁(1)基本類型及工作原理長容柵圓容柵片狀柱狀第54頁/共59頁長容柵第55頁/共59頁n－動尺柵級片數(shù)a,b－柵極片長度和寬度CCmax0aW3a2Wx第56頁/共59頁柱狀圓容柵r2,r1

－圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑

a－每條柵極片對應(yīng)的圓心角（rad）第57頁/共59頁設(shè)計一個油料液位監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)液位高于H1時，