第四章 节 电容传感器 《传感器（第5版）》课件.pptx

普通高等教育“十一五”国家级规划教材传 感 器（第5版）普通高等教育“十一五”国家级规划教材第四章 电容传感器 第一节 工作原理与类型 第二节 转换电路 第三节主要性能、特点与设计要点 第四节电容式传感器举例 目录.pptx返回主目录第四章 电容传感器电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。优点：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。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。Sδε第四章 电容传感器第一节 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；δ—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m；ε —电容极板间介质的介电常数。图4-1?平板电容器第一节 工作原理与类型二、类型三种基本类型：变极距（变间隙）(δ)型变面积型(S)型变介电常数(εr)型表4-1列出了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，虽还有球面形和锯齿形等其他的形状，但一般很少用，故表中未列出。其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。 第一节 工作原理与类型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，传感器的电容量与被测厚度的关系为 第一节 工作原理与类型若忽略边缘效应，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 ；δ:两固定极板间的距离；δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。 第一节 工作原理与类型若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为 2r22r1hxh图4-3 液位传感器可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。注意事项：若电极之间的被测介质导电，电极表面应涂盖绝缘层（如0.1mm的聚四氟乙烯等）。第四章 电容传感器第二节 转换电路一、电容式传感器等效电路图4-4 电容式传感器等效电路第二节 工转换电路讨论：在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。其等效电路可简化为图4-4 b，其中等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻Re≈Rg。 在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此L和r的影响不可忽略，而漏电的影响可忽略。其等效电路简化为图4-4 c。其中Ce=C0+Cp，而re≈r。电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十MHz。供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其1/3～1/2，传感器才能正常工作。 第二节 工转换电路二、电桥电路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。第二节 工转换电路特点：①高频交流正弦波供电； ②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； ③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，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥； ④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。 第二节 工转换电路三、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： 第二节 工转换电路在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2T/2时, 电流iC2的平均值IC2可以写成下式： 同理，负半周时电容C1的平均电流: 第二节 工转换电路故在负载RL上产生的电压为 电路特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器