第四章传感器.ppt

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1、第四章传感器第四章传感器1第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2引言引言n电容式传感器是将被测非电量的变化转电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器。化为电容变化量的一种传感器。n构造简单、分辨力高、可非接触测量，构造简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作件下工作。n很有开展前途的传感器很有开展前途的传感器。3电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理n由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，假如不考虑边缘效应，其电容量为电容器，假如不考虑边缘效应，其电容量

2、为n保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数，保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。过测量电路就可转换为电量输出。n电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式积式和变介质式3种类型。种类型。44.1 变面积式电容传感器变面积式电容传感器 n面积变化式电容传感器在工作时的极距、面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。效作用面积发生改变。n变面积式电容

3、传感器的两个极板中，一变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个个是固定不动的，称为定极板，另一个是可挪动的，称为动极板。是可挪动的，称为动极板。5面积变化型电容传感器原理面积变化型电容传感器原理 1.直直线线位移型位移型6面积变化型电容传感器原理面积变化型电容传感器原理 2.角位移型角位移型7面积变化型电容传感器原理面积变化型电容传感器原理 3.圆筒型圆筒型84.1.2 变极距式电容传感器变极距式电容传感器当改变电容器两极板间的间隔 时，电容器的电容也会发生变化。9a为平板形位移电容传感器。为平板形位移电容传感器。n设两个一样极板的长为设两个一样极板的长为b，宽为，

4、宽为a，极板，极板间间隔间间隔 为为d，当动极板挪动，当动极板挪动x后，电容后，电容Cx也随之改变。也随之改变。n电容的相对变化量和灵敏度为电容的相对变化量和灵敏度为nn 10差动构造形式差动构造形式 n进步测量精度进步测量精度，减少动极板与定极板之，减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误间的相对极距可能变化而引起的测量误差。差。11 4.1.3 变介质式电容传感器变介质式电容传感器 n介质变化型电容传感器的极距、有效作介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。间的介质情况发生变化。n主要用来测量

5、两极板之间的介质的某些主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。液位等。12介质变化型电容传感器构造介质变化型电容传感器构造 n1.位移型位移型13介质变化型电容传感器构造介质变化型电容传感器构造 n2.液位型液位型14结论结论n传感器的灵敏度为常数，电容传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与理论上与液面液面h成线性关系，只要测出传感器电容成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位的大小，就可得到液位h。15 当电容传感器处于初始位置时，电桥平衡，电桥输出电压 ；当被测量的变化引起电容传感器的电容发生变化时，电桥失去平

6、衡，电桥有电压输出，即 。4.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n常用电路有常用电路有:电桥电路、运算放大器测量电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。电路、脉冲调制电路、调频电路。16电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n1.电桥电路电桥电路n为了进步灵敏度，减小误差，常为了进步灵敏度，减小误差，常采用差动形式，其电路如下图。采用差动形式，其电路如下图。Cx1和和Cx2表示差动式电容传感器的两个电容。表示差动式电容传感器的两个电容。17电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路18电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n2.二极管双二极管双T形交流

7、电桥形交流电桥 二极管双二极管双T形交流电桥电路原理如图形交流电桥电路原理如图4-12所示。图中，所示。图中，C1、C2为差动电容式传感器的电容，为差动电容式传感器的电容，RL为负载电阻，为负载电阻，VD1、VD2为理想二极管，为理想二极管，R1、R2为固定电阻；为固定电阻；e为高频电源，为高频电源，它提供幅值为它提供幅值为Ue的对称方波。的对称方波。19电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n3.运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路 n运算放大器的特点就是放大倍数运算放大器的特点就是放大倍数A很大，输很大，输入阻抗也很大。理想的运算放大器的放大倍数入阻抗也很大。理想的运算放大器的放

8、大倍数和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这些特点就可作为电容式传感器的测量电路，来些特点就可作为电容式传感器的测量电路，来解决单个变极距式电容器传感器的非线性问题。解决单个变极距式电容器传感器的非线性问题。运算放大器式测量电路如下图。图中，运算放大器式测量电路如下图。图中，C为总为总的输入电容，的输入电容，Cx是电容传感器。是电容传感器。20电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n4.调频电路调频电路:把电容式传感器作为振荡器把电容式传感器作为振荡器谐振电路的一部分，其部分电路如下图。谐振电路的一部分，其部分电路如下图。当被测量引起电容量变化时

9、，振荡器的当被测量引起电容量变化时，振荡器的振荡频率就会发生变化，然后通过鉴频振荡频率就会发生变化，然后通过鉴频器把频率的变化转换为幅值的变化，再器把频率的变化转换为幅值的变化，再经过放大后就可以通过仪表显示出来。经过放大后就可以通过仪表显示出来。n 调频电路具有较高的灵敏度，可测至级位移变化量。易于用数字仪器测量，并能与计算机通讯，抗干扰才能强。21电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n5.谐振电路谐振电路:振荡器提供稳定的高频信号通过振荡器提供稳定的高频信号通过L1、C1回路选频，再通过电感耦合到回路选频，再通过电感耦合到LCx谐谐振回路。当传感器电容振回路。当传感器电容Cx发生变

10、化时，那么发生变化时，那么引起谐振回路阻抗的变化，而这个变化会使引起谐振回路阻抗的变化，而这个变化会使整流器的电流发生变化。变化的电流再经放整流器的电流发生变化。变化的电流再经放大器放大后就可通过仪表显示被测量的变化。大器放大后就可通过仪表显示被测量的变化。n 谐振电路的灵敏度较高，但工作点不易选择，变化范围较窄。22电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n6.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 234.3 电容式传感器的误差及制作要求电容式传感器的误差及制作要求n4.3.1 电容式传感器的误差因素电容式传感器的误差因素n1.温度的影响温度的影响n3.寄生电容的影响寄生电容的影响n2.漏电

11、阻的影响漏电阻的影响244.3 电容式传感器的误差及电容式传感器的误差及制作要求制作要求n4.3.2 电容式传感器的制作要求电容式传感器的制作要求n1 传感器的电容值要尽量的大些。目传感器的电容值要尽量的大些。目的在于降低输出阻抗及对绝缘材料的要的在于降低输出阻抗及对绝缘材料的要求，进步灵敏度。求，进步灵敏度。n2 要采用介电常数大的电介质材料。要采用介电常数大的电介质材料。n3 要选用膨胀系数小的材料作为电要选用膨胀系数小的材料作为电极。目的在于减小温度附加误差。极。目的在于减小温度附加误差。n4 要求电源的频率不应过低。目的要求电源的频率不应过低。目的在于减小输出阻抗，进步灵敏度。一般在于

12、减小输出阻抗，进步灵敏度。一般不应小于不应小于5001000Hz。n5 要求传感器及引线要采用屏蔽措要求传感器及引线要采用屏蔽措施。目的在于消除寄生电容的影响，进施。目的在于消除寄生电容的影响，进步灵敏度。步灵敏度。254.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用n电容式传感器不但应用于位移、振动、电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精细测角度、加速度及荷重等机械量的精细测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。料位、湿度、成分含量等参数的测量。264.4.1 电容式压力传感器电容式压力传感器n电容式压

13、力传感器是将由被测压力引起的弹性电容式压力传感器是将由被测压力引起的弹性元件的位移变化转变为电容的变化来实现测量元件的位移变化转变为电容的变化来实现测量的。的。274.4.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器n电容式加速度传感器是将被测物的振动转换为电容式加速度传感器是将被测物的振动转换为电容量变化，其构造示意图如图电容量变化，其构造示意图如图4-19所示所示284.4.3 电容式湿度传感器电容式湿度传感器n电容式湿度传感器是通过改变传感器中电介质电容式湿度传感器是通过改变传感器中电介质的介电常数，从而引起电容量的变化来实现测的介电常数，从而引起电容量的变化来实现测量的。量的。294.4.

14、4 电容式荷重传感器电容式荷重传感器n电容式荷重传感器是利用弹性元件的变形，致电容式荷重传感器是利用弹性元件的变形，致使电容随外加载荷的变化而变化。使电容随外加载荷的变化而变化。304.4.5 电容式厚度传感器电容式厚度传感器314.4.5 电容式厚度传感器电容式厚度传感器324.4.6 电容式位移传感器电容式位移传感器n电容式位移传感器就是通过改变电容器极板间电容式位移传感器就是通过改变电容器极板间的间隔的间隔 引起电容量的变化来实现测量的。通引起电容量的变化来实现测量的。通常采用的是一种单极变极距式。常采用的是一种单极变极距式。334.5 电容栅式传感器电容栅式传感器n电容栅式传感器是在电

15、容式传感器根底上开展电容栅式传感器是在电容式传感器根底上开展起来的一种传感器。它具有电容式传感器的优起来的一种传感器。它具有电容式传感器的优点，当然它也有其自身的特点，如抗干扰才能点，当然它也有其自身的特点，如抗干扰才能强、精度高和量程大等特点。强、精度高和量程大等特点。344.5.1 根本类型及原理根本类型及原理354.5.1 根本类型及原理根本类型及原理a动尺364.5.2 测量电路测量电路电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电路，以得到调幅或调相信号。374.5.2 测量电路测量电路电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电路，以得到调幅或调相信号。38附：电容式接近开关附：电容式接近开关1

16、检测极板 2充填树脂 3测量转换电路 4塑料外壳5灵敏度调节电位器 6工作指示灯 7信号电缆39工作过程工作过程1n检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量极时，检测板与大地间的电容量C非常小，它非常小，它与电感与电感L构成高品质因数构成高品质因数Q的的LC振荡电路，振荡电路，Q=1CR。当被检测物体为地电位的导。当被检测物体为地电位的导电体如与大地有很大分布电容的人体

17、、液体电体如与大地有很大分布电容的人体、液体等时，检测极板对地电容等时，检测极板对地电容C增大，增大，LC振荡电振荡电路的路的Q值将下降，导致振荡器停振。值将下降，导致振荡器停振。40工作过程工作过程2n当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷别离，使检测极板的产生极化现象，正负电荷别离，使检测极板的对地等效电容量增大，使对地等效电容量增大，使LC振荡电路的振荡电路的Q值降值降低。对能量损耗较大的介质如各种含水有机低。对能量损耗较大的介质如各种含水有机物，它在高频交变极化过程中是需要消耗一物，它在高频交变极化过程中是需要消耗一定能量的，该能量是由定能量的，该能量是由LC振荡电路提供的，必振荡电路提供的，必然使然使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近到一定间隔小。当被测物体靠近到一定间隔 时，振荡器的时，振荡器的Q值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压U0的大小，可大致断定被测物接近的程度。的大小，可大致断定被测物接近的程度。41电容式接近开关42放松一下！放松一下！43