第4章电容式传感器 (2).ppt
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1、电容式传感器,优点:测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 应用:压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。,电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一,利用电容器的原理,将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置,称为电容式传感器,它实质上是一个具有可变参数的电容器。,一、 工作原理与类型 (一)工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器,当忽略边缘效应时,其电容C为 S极板相对覆盖面积; 极板间距离;r相对介电常数; 0 真空介电常数,0 8.85pF/m; 电容极板间介质的介电常数。,(二) 类
2、型 三种基本类型: 变极距(变间隙)()型 变面积型(S)型 变介电常数(r)型 电容式传感器的三种基本结构形式。 位移:线位移和角位移两种。 极板形状:平板或圆板形和圆柱(圆筒)形,1、变极距型电容传感器,图中极板1固定不动,极板2为可动电极(动片),当动片随被测量变化而移动时,使两极板间距变化,从而使电容量产生变化 ,其电容变化量C为,2,1,差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。,C,C0,C- 特性曲线,C0极距为时的初始电容量。,2、变面积型电容传感器 l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度; r1 、r2 圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动l时,电容变化量C为,这类传感器
3、具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。,3、变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位,还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。 若忽略边缘效应,单组式平板形厚度传感器如下图,传感器的电容量与厚度的关系为,推导上式?,若忽略边缘效应,单组式平板形线位移传感器如下图,传感器的电容量与被位移的关系为,a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ; :两固定极板间的距离; x、0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。,圆筒式液位传感器的电容量与被液位的关系为,h,C1,C,C2,可见,传感器电容量C
4、与被测液位高度hx成线性关系。,2r1,2r2,hx,例:某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存罐也是圆柱形,直径为50cm,高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L),解:,二、 转换电路 (一) 电容式传感器等效电路 L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感: r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成; C0为传感器本身的电容; Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容; Rg是极间等效漏电阻,它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗,其值在制造工
5、艺上和材料选取上应保证足够大。,供电电源频率为谐振频率的1/31/2,将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂,另两个臂可以是电阻或电容或电感,也可是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性,且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地,适合于高频电源下工作。而变压器式电桥使用元件最少,桥路内阻最小,因此目前较多采用。,(二)测量电路,1、电桥电路,特点:高频交流正弦波供电; 电桥输出调幅波,要求其电源电压波动极小,需采用稳幅、稳频等措施; 通常处于不平衡工作状态,所以传感器必须工作在平衡位置附近,否则电桥非线性增大,且在要求
6、精度高的场合应采用自动平衡电桥; 输出阻抗很高(几M至几十M),输出电压低,必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。,2、二极管双T形电路 电路原理如图(a)。供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50的方波。若将二极管理想化,则当电源为正半周时,电路等效成典型的一阶电路,如图(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止,电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑,电容C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法,可直接得到电容C2的电流iC2如下:,C2,UE,(b),R,R,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,iC2,+,+,UE,(a),C1,C1,C2,UE,RL,
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