第5章电容式传感器分解.ppt

第4章 电容式传感器 传感器的工作原理及类型 电容传感器的灵敏度及非线性 电容传感器的特性等效电路 电容传感器的设计要点 电容式传感器的转换电路 电容式传感器的应用举例 本章要点 电容式传感器？ 电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。 §5.1 工作原理、分类及应用 一、工作原理 二、分类 (按工作原理分类) 改变s、δ、? 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。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。 1、变极距型电容传感器 2、变面积型电容传感器 电容量的变化与面积的变化成线性关系。 电容式液位计 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。 电容式接近开关外形 湿敏电容传感器外形 其他应用： §5.2 电容式传感器灵敏度及非线性 讨论： 为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围 △δ δ0,，此时，传感器的灵敏度近似为常数。 电容量C与极距δ呈非线性关系，减小初始极距δ将增大非线性误差。 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。 差动电容结构： 2、变面积式 用于角位移测量的电容式传感器的结构如下图。A、B为同一平面、形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平面内绕O点摆动。初始时，C处于A、B的中心。设极板间距为d。 试推导： （1）初始时电容值。 （2）当C向右移动角位移 后电容值。 (3)灵敏度。 3、变介电常数式电容式液位计 §5.2.2 电容式传感器的特点及等效电路 一、特点 1、优点 输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置，因此电容传感器可以测量很小的力，而且很灵敏。精度高达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5μm。 机械损失小。自身发热量很小，又无摩擦，具有很高的精度。 动态特性好。活动部件质量小，因此固有频率高。适于动态信号的测量。 结构简单，适应性好。在振动、强辐射以及很大的温度变化的恶劣环境下工作。 电容式传感器的特点 2、缺点 输出阻抗高，大到几十兆欧～几百兆欧，带负载能力差。 输出特性非线性较严重。 寄生电容的影响较大，从而导致工作不稳定，降低灵敏度。 二、等效电路分析 一、交流电桥 电容传感器常用交流电桥形式分析 当桥路电源电压与传感元件阻抗相对变化量 一定时 二、变压器电桥 变压器电桥输出电路 工作过程 电容式油量表 机械式油量表： 该油量表可用于飞机油箱 三、二极管式线路 四、脉冲调宽型电路 五、运放式线路 六、调频电路 调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。 例题 有一平面直线位移差动传感器特性其测量电路采用变压器交流电桥,结构组成如图所示.电容传感器起始时b1=b2=b=20mm, a1=a2=a/2=6mm极距=2mm,极间介质为空气,测量电路u1=3sinwtV,且u=u=1/2u1.试求当动极板上输入一位移量△x=5mm时,电桥输出电压u0 。 说明： 温度误差与零件的尺寸、热膨胀系数有关 要减小温度变化的影响，可以： 减少热膨胀尺寸链的组成环节。 选用热膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料如：石英、陶瓷、玻璃、镍铁合金等。其中尤以绝缘套材料为最重要。 采用差动对称结构，对温度误差进行补偿。 温度变化对介质介电常数的影响 保证绝缘材料的绝缘性能 电容传感器电容量小、阻抗高，绝缘问题突出。 措施： 选择优质绝缘材料，玻璃、石英、陶瓷、尼龙等。 装配前严格清洗。 传感器壳体密封，防止水汽进入。 采用较高频率的电源供电，以降低内阻抗，相应降低对绝缘电阻的要求。 消除和减小边缘效应 边缘效应使电容传感器的灵敏度降低、产生非线性 边缘效应与『极板的厚度/极距』有关。比值越大，影响越大。 消除和减小寄生电容的影响 消除和减小寄生电容的方法 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。 注意传感器的接地和屏蔽。 采用组合式与集成技术。将传感器、前置级组合在一个壳体内，省去其间的电缆。 采用“驱动电缆技术(也称双层屏蔽等位传输技术)。 采用运算放大器法 整体屏蔽法。 §5.5 电容式传感器的应用举例 差分式电容压力传感器 电容式差压变送器 电容式差压变送器内部结构 1—高压侧进气口 2—低压侧进气口 3—过滤片 4—空腔 5—柔性不锈钢波 纹隔离膜片 6—导压硅油 7— 凹形