检测与转换技术 教学课件 ppt 作者 郑骊 主编 霍平 主审第7章 电容式传感器.ppt

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第7章 电容式传感器 7.1 电容式传感器的结构与工作原理 7.2 电容式传感器的测量转换电路 7.3 电容式传感器的特点 7.4 常见的电容传感器展示 7.5 电容传感器的应用 7.6 电容式接近开关的应用 7.1 电容式传感器的结构与工作原理 对于平板型电容器(如图7-1)的电容量C与两平行极板的有效覆盖面积S、极板间介质的介电常数ε成正比,与两平行极板间的距离d成反比,即 当被测信号使ε、S、d中的任一参数变化时,都使电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而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,通过测量电路就可转换为电量输出。 根据这个原理,电容式传感器可分成三种类型:变面积式、变极距式和变介电常数式。 在实际使用中,电容式传感器常常以改变平行板间的极距d来进行测量。图7-2 所示为常见的电容式传感元件的结构形式。 1.变极距式电容传感器 电容量C与极板距离d成反比,当图7-3中动极板在被测参量的作用下发生位移时,改变了极距d的大小,从而使极板之间的电容大小发生变化。电容的初始值为 ,当动极板在被测参量的作用下发生位移,使极距d减小了Δd,则电容C将增加ΔC,当Δdd时,有 上式说明了单位位移能引起输出电容变化的大小,d越小,灵敏度越高,所以要提高电容传感器的灵敏度,应该减小其间隙d,但d的减小要受到电容器击穿电压的影响,同时也增大了非线性误差,而且对传感器的加工精度要求也提高了。 虽然减小极距d可以提高电容式传感器的灵敏度,但是d越小,电容器越容易被击穿,改善击穿的办法式在极板间放置云母片,云母的相对介电常数为空气的7倍,其击穿电压不小于103kV/mm,而空气的击穿电压仅为3kV/mm。因此,即使厚度为0.01mm的云母片,它的击穿电压也不小于10kV/mm。所以有了云母片,极板之间的起始距离可以大大减小。 2.变面积式电容传感器 变面积式电容传感器有三种类型的变面积传感器。 3.变介电常数式电容传感器 7.2 电容式传感器的测量转换电路 1.桥式电路 图7-9为单臂桥式测量电路,1MHz左右的高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上,电容C1、C2、C3为固定电容,C0 +ΔC为电容传感器的输出电容,交流电桥平衡时 图7-10所示为一差动接法的变压器交流电桥电路,其空载输出电压为 2.调频电路 调频电路是将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分,或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电容传感器工作时,电容C发生变化,就使振荡器的频率 f产生相应的变化。由于振荡器的频率受电容式传感器电容的调制,这样就实现了C/f的变换,故称为调频电路。调频振荡器的频率可由下式决定 3.运算放大器式测量电路 图7-12是一理想运算放大器式的测量电路,其理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为 7.3 电容式传感器的特点 1.电容式传感器的优点 1)结构简单,适应性强; 2)动态响应好; 3)分辨率高; 4)温度稳定性好; 5)可实现非接触测量,具有平均效应。 2.电容式传感器在实际中存在的问题及其解决办法 7.4 常见的电容传感器展示 1、LVCT型电容式位移测量仪 该位移测量仪是由线性可变电容式传感器制成的一种电转换装置,它可以把输入线性位移转换成直线位移的各种机械物理量,可将压力、张力、振动、应变、液位、加速度等参数转换成电信号输出,能用于远距离传输、记录显示和控制。 该位移测量仪表的结构尺寸如图7-14所示,特性参数见表7-2所示。 2、DPL101型电容传感器 DPL101型电容传感器主要用于液位的测量,其主要的特性参数见表7-3所示。 3、E2K-F型静电电容式接近开关 该型号内装放大器,检测距离为10mm,厚度10mm,安装占地效率极好,可直接安装在金属表面上,金属以及水、油、玻璃、塑料等基本上所有物体都能检测,其特性参数见表7-4所示。 7.5 电容传感器的应用 1.差动电容式压力传感器 2.差动式电容测厚仪 差动式电容测厚仪的工作原理如图7-16所示,是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测. 3.电容式液面计 电容式液面计是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容器,如图7-17所示为用于检测液位的电容式传感器,它是通过将被测介质的液面高度变化转为电容器电容量的变化,来检测液面(或液位)。 4.电容式加速度传感器 电容式加速度传感器的结构如图7-18所示。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大, 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。 ?5、电容式位移传感器 以电容器为敏感元件,将机械位移量

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