傳感器原理應用課程講稿

1、傳感器原理與應用課程講稿授課題目（教學章、節(jié)或主題）：第三章 電容式傳感器授y方式理論課討論課口 實驗課口 習題課口 其他口課? 6（請打，）不一1女排 6教學要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：掌握變間隙式、變面積型、變介質型電容傳感器的測量原理；了解電容式傳感器的等效 電路；掌握調頻式、運算放大器式、脈沖寬度調制式測量電路；了解電容式傳感器的實 際應用。教學重點、難點及關鍵知識點：重點：變間隙式、變面積型、變介質型電容傳感器的測量原理； 調頻式、運算放大器式、 脈沖寬度調制式測量電路；難點：高介電常數(shù)的材料作介質時電容傳感器特性；柱面板結構、并聯(lián)柱面結構；脈沖 寬度調制式測量電路；方法及手

2、段板書與多媒體相結合教學基本內容（教學過程）改進設想第三章電容式傳感器第一節(jié)電容式傳感器的工作原理和結構、基本工作原理由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，其電、一A為真容量為：C d式中：電容極板間介質的介電常數(shù)，戶E0 Er,其中0空介電常數(shù)，午極板間介質的相對介電常數(shù);A兩平行板所覆蓋的面積;d 兩平行板之間的距離。當被測參數(shù)變化使得上式中的A、d或&發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可輸出。因此，電容式傳感器可分為 變極距4面小型打 7 1 1 r把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化，通過側量電監(jiān)就可轉換型三種。1、變極距型

3、電容傳感器坪口 A為常數(shù)，初始極距為d0時,A可知其初始電容量C0為C0 一 d0傳感器原理與應用課程講藕若電容器極板間距離由初始值 d0縮小了 Ad,電容量增大了 AC,則有C C0c A- do diCo ddoC0 1ddo2 ddo由C0式可以看出，在d0較小時,對于同樣的Ad變化所引起的AC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料(云母、塑料膜等)作介質，此時電容C變?yōu)間-云母的相對介電常數(shù)， 毛=7;£0空氣的介電常數(shù)，£0=1；d0空氣隙厚度；dg云母片的厚度。一般變極板間距離電容式傳感器的起始

4、電容在20100pF之間，極板間距離在25200叩 的范圍內。最大位移應小于間距的1/10,故 在微位移測量中應用最廣。2、變面積型電容傳感器(1)直線位移型C (a x)b Co 1 x daC xCo a電容量C與水平位移Ax呈線性關系(2)角位移型3、變介質型電容式傳感器(1)常用變介質型C Ca CbCaba d22Cb1dii1d1 d211C Co Co a 2l d11d22(2)并聯(lián)柱面結構用于測量液位高低。設被測介質的介電常數(shù)為e1,液面高度為h,變換器總高度為H,內筒外徑為d,外筒內徑為DCo21h1nD dCo 22 (H h)1nDdh( 1)1nD d2H 2 h(1

5、)dDdD1n1ndd電容增量正比于被測液位高度h(3)并聯(lián)平面板結構C C1 c21xbd2ab dCo 1_12. X、差動式電容傳感器1、變面積型差動電容傳感器(1)平面板結構直線位移型定片長4a,寬動片長2a,寬靜態(tài)時:x O, C1 C2Coab d動態(tài)時:Ci xC2 xb a db adCoCo(2)圓柱面結構直線位移型靜態(tài)時:x 0, C1C2Co2 l,RIn 一 r動態(tài)時:C1 xC2 xlnR r2 l lnR rCo 1Co 1(3)平面扇形變面積角位移結構靜態(tài)時:22C1 C2 COR r o2d動態(tài)時:2、變極距型差動電容傳感器靜態(tài)時:do,C1 C2 CoA do

6、動態(tài)時:動片止片 1JC1d d位移CoC1 dAdo dCoC2dAdo dCodo d11-ddoCoddo d三、電容傳感器輸出特性在差動式平板電容器中,當動極板位移A d時，電容器C1的C1CoC2 CoC02_ d . d21do do4ddo間隙d1變?yōu)閐0-Ad,電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+ Ad,則11 d/do11 d/do電容值相對變化量為2|( d/do)3|2| d/do|當 |Ad/d0|<<1 時,上式可按級數(shù)展開，可得如果只考慮AC/C0式中的線性項和三次項，則電容式傳感器的相對非線性誤差r近似為2d1oo% - 1oo%doCo23d ddodod

7、 . d-1 do do由上式可見，輸出電容的相對變化量A C/C0與輸入位移Ad之間成非線RsLTVWYXRP四、電容傳感器等效電路j CeCeCeC12LCC 2 _ 12LC2lc c(12LC)22 _2(1 LC)在這種情況下，電容的實際相對變化量為Ce_C/C1 2LC表明電容式傳感器的實際相對變化量與傳感器的固有電感L和角頻率有關。因此，在實際應用時必須與標定的條件相同。第二節(jié) 誤差的因素及改進措施、溫度對電容器結構尺寸的影響因為傳感器各零件的材料不同,有不同的溫度膨脹系數(shù)，因此,境溫度變化后氣隙厚度變?yōu)?dt L 1 l t 幾 1 h1 t且 /、環(huán)得h2 1整 理hl hl

8、h2 h2 L LtdoL Lhlhl h2 h2hih1Lh2 2 d0h1h20L在設計電容傳感器時，應首先根據(jù)合理的初始電容量決定間隙滿足溫度補后根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)L , h1h2選擇材料的合適尺寸,III,I IU'償條件的要求，達到溫度補償?shù)淖饔谩?二、外界干擾的影響1、屏蔽和解地。用良導體作傳感器殼體，將傳感器元件包圍起來，并可靠接地； 用金屬網套住導線彼此絕緣（即屏蔽電纜），金屬網可靠接地；用雙層屏蔽線可靠接地；用雙層屏蔽罩且可靠接地；傳感器與測量電路前置級一起裝在較好的屏蔽殼體內并可靠接地等等。3、減小導線間的分布電容的靜電感應，因此導線與導線之間遠離，距離盡可能 短

9、，最好成直角排列，必須平行排列時可采用屏蔽電纜線。4、減少接地點，盡可能一點接地，地線要用較粗的良導體或寬印制線。5、盡量采用差動式電容傳感器，可提高傳感器靈敏度，減小非線性誤差。三、溫度對介質的介電常數(shù)的影響傳感器的電容值與介質的介電常數(shù)成正比。因此若某些介質的介電常數(shù)也存在溫度系數(shù)，當溫度改變時，就必然會引起傳感器的電容值改變，從而造成溫度附加4H至 慶2 o消除方法是：采用介電常數(shù)溫度系數(shù)為零的空氣或云母作為介質，或在測量電路中進行溫度補償。但要完全補償是困難的。四、漏電阻的影響電容傳感器的容抗很高，特別是電源頻率較低時，容抗更高。如 果兩極板之間的漏電組與此容抗相接近時，就必須考慮分路

10、作用對系 統(tǒng)靈敏度的影響。它將使傳感器的靈敏度下降。因此應選用絕緣性能 很好的陶瓷、石英、聚四氟乙烯等材料作為兩極板之間的支架，可大 大提高兩極板之間的漏電組。當然，適當?shù)奶岣呒铍娫吹念l率也可 以降低對材料絕緣性能的要求。第三節(jié)電容式傳感器的測量電路、調頻電路Q電馥集器Au &工調頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉換為電壓振幅的變化，經過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。f 1fo

11、 f2、(Ci C2 Co C)L二、運算放大器式電路UiIij CiUoIxj CxIi IxUo UCi如果傳感器是一只平板電容，則 Cx=K/d,代入上式可得Uo Ui說明運算放大器的輸出電壓與極板間距離 d成線性關系。、二極管雙T型交流電橋當傳感器沒有輸入時，C1=C20其電路R2R2RiRl工作原理如下：Ri當輸入為正半周時,CiIi的電荷通過電阻Ri,D1導通、D2截止，于是電容 C1充電,其等效電路如圖(b)出現(xiàn)時，電容C1上(b)Rl所示；在隨后負半周(b)C2(a)負載電阻RL放電,流過RL的電流為I1當輸入為負半周時，D2導通、D1截止，則電容C2充電，在隨后出現(xiàn)正半周時，

12、C2通過電阻R2,負載電阻RL放電，流過RL的電流為I2 。根據(jù)上面所給的條件，則電流11=12, 且方向相反，在一個周期內流過 RL的平均電流為零。若傳感器輸入不為0,則C1V2, I1WI2,此時在一個周期內通過RL上的平均電流不為零，因此產生輸出電壓，輸出電壓在一個周 期內平均值為UrT1 T2Uo Ua Ub UiT2 T1 T2式中：Ui 觸發(fā)器輸出高電平；T1、T2 Cxi、Cx2充電至Ur時所需時間。- UiTi RCxilnU i U r由電路知識可知將Ti、T2代入式得 U o- UoT2RCx21n -U 2 U rCxiCxiCx2Cx2Ui四、脈沖寬度調制電路當差動電容

13、Cx1Cx2,且 Cx1Cx2,則 r1= R1Cx12= R2 Cx2 o 由于充放電時間常數(shù)變化，使電路中各點電壓波形發(fā)生相應改變。電路各點波形如圖（b）所示，此時uA、uB脈沖寬度不再相等，一個周期（T1+T2）時間內的平均電壓值不為零。此uAB電壓經低通濾波器濾波后，可獲得Uo輸出把平行板電容的公式代入上式，在變極板距離的情況下可得U o di d2 Uidi d2式中，di、d2分別為Cxi、Cx2極板間距離。由此可見，差動脈寬調制電路適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器，并具有線性特性，且轉換效率高，經過低通放大器就有較大的直流輸出，調寬頻率的變化對輸出沒有影響。第四節(jié)電容傳

14、感器的應用舉例1、電容式壓力傳感器圖為差動電容式壓力傳感器的結構圖。圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構成差動電容器。當被測壓力或壓力差作用于膜片并產生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。 該電容值的變化經測量4351?a11 ? 1 ?£?2?a?R |i?£?3?a?e a ?e £?4?aR - ?e £?5?ae ?3?£?6?a?i ?電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化2、電容式加速度傳感器當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時， 質量塊6 在慣性空間中相對靜止，兩

15、個固 定電極將相對于質量塊在垂直方向產生大小正比于被測加速度的位 移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質。3、差動式電容測厚傳感器電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板、這樣極板與帶材就構成了兩個電容器 C1、C2。把兩塊極板用音頻信號發(fā)生器產生的音頻信號，接入變壓器T的原邊線圈，變壓器副邊的兩個線圈作為測量電橋的兩臂，電橋的另外兩橋臂由