自动检测技术教学课件作者刘丽红第3章节电容传感器课件幻灯片.pptVIP

第三章 电容式传感器  本章主要讲述内容： 1、电容式传感器的工作原理和结构，包括变极距型、变面积型、变介质型 2、电容式传感器的灵敏度及非线性 3、电容式传感器的测量电路 4、电容式传感器的应用 需要掌握的知识： 1、了解电容式传感器的结构，理解电容式传感器的工作原理 2、了解电容式传感器的灵敏度及非线性 3、重点掌握电容式传感器的测量电路 4、学会用电容式传感器检测非电量 导 入 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 它结构简单，体积小、分辨率高，可非接触式测量，能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 广泛应用于压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等多方面测量。 随着电容测量技术的迅速发展，电容式传感器在非电量测量和自动检测中得到了广泛的应用。 3.1 电容式传感器的工作原理和结构 金属板平板电容器，其电容量为： —电容极板间介质的介电常数(F﹒m-1)， ，其中 为真空介电常数(F﹒m-1)， 为极板 间介质相对介电常数； —两平行板所覆盖的面积(m2) —两平行板之间的距离(m) 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型。 初始电容量 为 若电容器极板间距离由初始值 缩小 ，电容量增大 ，则有 3.1.1. 变极距型电容传感器 若 1时， ，上式可以简化为 在 很小时，才有近似的线性输出，且 很大， 提高了测量灵敏度。 但 过小，容易引起电容器击穿或短路。 为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜 等）作介质，电容为： 极板间距离在25～200m 的范围内，最大位移应小于间距的1/10 ，常用测量微位移。 3.1.2 变面积型电容式传感器 被测量通过移动动极板引起两极板有效覆盖面积改变，从而得到电容的变化量。 传感器的电容量 与角位移 呈线性关系。 动极板 定极板 动极板 定极板 3.1.3 变介质型电容式传感器 电容式液位变换器结构原理图 电容增量正比于被测液位被测液位高度 。 变介质型电容式 传感器 电容的变化与电介质 的移动量 呈线性关系 3.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性 电容的相对变化量为 当 时，得到近似的线性： 电容传感器的灵敏度为： 在实际中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用 差动式结构。 可见，差动电容传感器灵敏度提高一倍，非线性误差大大 降低。 3.3 电容式传感器的测量电路 3.3.1 调频测量电路 当被测信号不为0时， ，此时频率为 该电路具有较高灵敏度，可以测至0.01级位移； 频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强； 可以发送、接收以实现遥测遥控。 3.3.2 运算放大器式电路 输出电压与极板间距离 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。但要求 及 足够大。 3.3.3 二极管双T 型交流电桥 a)二极管双T 型交流电桥 b)当为正半周时的等效电路 c)当为负半周时的等效电路 若传感器输入不为0。则 ，那么 ，此时上必定有信号输出，其输出在一个周期内的平均值为 令： 则： 输出电压 是电容 和 差的函数 该电路输出电压较高 3.3.4 脉冲宽度调制电路 图3-13 脉冲宽度调制电路电压波形 a) 时电路各点波形 b) 时电路各点波形 图3-12 脉冲宽度调制电路图 如图3-13b所示， 由电路知识可知 将T1、T2、带入 uAB 得： 把平行板电容的公式代入式UAB ，在变极板距离的情况 下可得： 当差动电容 ，即 时， ； 当 ，设 ，即 ， 则： 同样，在变面积电容传感器中，则有： 可见，此电路适用于变极距及变面积式差动电容传感器， 并具有线性特性，经过低通放大器就有较大的直流输