一章电容式传感器.ppt
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1、第3章 电容式传感器,本章的主要内容有: 1.电容式传感器的结构原理; 2.电容式传感器的主要测量电路; 3.电容式传感器的结构类型; 4.电容式传感器的典型应用; 通过学习要求掌握电容式传感器的正确选用方法。,第二章主要讲述了电阻式传感器,其主要内容有:,回顾:,1、定义:,电阻式传感器,2、分类:,1)按工作的原理可分,2)按制作方式分,3、电阻应变式传感器-应变片,1)原理:,:是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。,基于金属导体的应变效应,即金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,3)金属丝应变片:,对金属材料,导电率不变:,2)
2、应变片的电阻变化率:,4)半导体应变计,4、应变片测量电路,第3章 电容式传感器,1、变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,2、优点:结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉。 3、缺点:电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限,4、应用:测量压力、力、位移、振动、液位等参数。,3.1 电容式传感器的原理与类型,电容式传感器的基本工作原理如图所示,从中可看出,A,d三个参数都直接影响着电容量C的大小。所以电容式传感器可以分为三种类型: 1、改变极板面积的变面积式; 2、改变极板距离的变间隙式; 3、改变介电常数的变介电常数式。,、A或发生变
3、化时,都会引起电容的变化。,3.1.1 变面积式电容传感器,(1)直线位移型,当动极板移动x后,覆盖面积就发生变化,电容量也随之改变,其值为,其灵敏度为,变面积式电容传感器的灵敏度为常数,即输出与输入呈线形关系。,下图是角位移型电容式传感器。 当动片有一角位移时,两极板间覆盖面积就发生变化,从而导致电容量的变化,此时电容值为,(2)角位移型,(3)园柱型电容传感器,下图是园柱型,当动极板有一线位移时,两极板间覆盖面积就发生变化,从而导致电容量的变化,3.1.2 变间隙式电容传感器 (改变极间距离),下图为变间隙式电容传感器的原理图。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时,两极板之间的电容量C就
4、改变了。,设极板面积为A,其静态电容量为 ,当活动极板移动x后,其电容量为,例:电容式传声器,4、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来提高绝缘性,,1、电容量C与x不是线性关系,只有当 xd时,才可认为是最近似线形关系。,2、要提高灵敏度,应减小起始间隙d过小。,3、当d过小时,又容易引起击穿,同时加工精度要求也高了。,5、在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,可采用差动式结构。,讨论: 当xd时 则,3.1.3 变介电常数式电容传感器,1)当电介质改变时,电容量也会变化,可用下式表示。上图为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位,也可测量位移。,2)应用举
5、例1:电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板,另一个极板是物体本身,当物体移向接近开关时,物体和接近开关的介电常数发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.由此便可控制开关的接通和关断;接近开关的检测物体,并不限于金属导体,也可以是绝缘的液体或粉状物体。,2:电容式转速传感器的结构原理,3.2 常用测量电路,3.2.1 双T电桥电路,1)测量电路 电路原理如图所示。图中C1、C2为差动电容式传感器的电容,RL为负载电阻,V1、V2为理想二极管,R1、R2为固定电阻。 2)原理分析见下图,常用电路有:双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。,当V1导通、V2截止时
6、C1充电;反之V1截止、V2导通时C2充电,由图中可以看出,一路通过R1、RL,另一路通过R1、R2、V2,这时流过RL的电流为i1。 若C1或C2变化时,在负载RL上产生的平均电流将不为零,因而有信号输出。,I. 有一个公共接地点。 II. V1和V2工作在伏安特性的线性段。 III. 输出电压较高。 IV. 灵敏度与电源频率有关。 V. 可以用作动态测量。,3)双T电桥电路的特点:,3.2.2 运算放大器式测量电路,电路的原理如上图所示。其输出电压 以 代入上式,则有 输出电压u0与动极片位移d成线性关系。,3.2.3 脉冲调制电路,这种电路根据差动电容C1和C2的大小控制直流电压的通断,
7、所得方波与C1和C2有确定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触发器的两个输出端。 当C1=C2时,两个电容充电时间常数相等,两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。反之不为零,且T1正比于C1,而T2正比于C2,输出电压为 可见,输出电压与电容变化成线性关系。,3.2.4 调频电路,测量电路见下图。当电容变化时导致振荡频率变化,再通过监频电路将其转换为振幅的变化,经放大后即可显示,这种方法称为调频法。 振荡频率为,3.3 电容式传感器的应用,3.3.1 在物位测控中的应用,3.3.1.1 LP-5000系列电容物位变送器 可用于高压、真空、高温、低温、密封罐内的酸、碱、盐等强腐蚀液体、强震动
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