第章電容傳感器ppt課件

1、 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation第三章 電容式傳感器 電容式傳感器的根本原理是將被丈量的電容式傳感器的根本原理是將被丈量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過(guò)變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器原理電容式傳感器原理dAC1.變面積式變面積式 2.變間隙式變間隙式 3.變介電常數(shù)式變介電常數(shù)式 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 一、變面積式電容傳感器一、變面積式電容傳感器 電容：電容： 第二節(jié)第二節(jié) 電

2、容式傳感器的類型與特性電容式傳感器的類型與特性xdbCdxabC0 x0-bCCCxddbxCK 電容增量：電容增量：丈量靈敏度：丈量靈敏度：提高靈敏度的途徑？添加b，或減小d 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation變面積式電容傳感器的派生方式：變面積式電容傳感器的派生方式：xCC00ACCCdabdxabnCdxbnCdbnK000CCCCCCArrKddd 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation變面積電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線性關(guān)系！這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移

3、、尺寸等參量。變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的特性 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 二、變間隙式電容傳感器二、變間隙式電容傳感器xdAC0 xdAC2222200011)()(dxdxxddxdCxdxdxddCxddCdx 顯然，顯然， 時(shí)，時(shí)， ，于是，于是022dxdxCC10定極板定極板動(dòng)極板動(dòng)極板 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 只需只需 時(shí)，變間隙式時(shí)，變間隙式電容傳感器才是近似線性的。電容傳感器才是近似線性的。而為了提高靈敏度，總是使而為了提高靈敏度

4、，總是使初始極距初始極距d0盡量小些，但這盡量小些，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺陷。并且行程較小的缺陷。并且d過(guò)小過(guò)小又容易引起擊穿，加工精度又容易引起擊穿，加工精度要求也很高。實(shí)踐運(yùn)用中，要求也很高。實(shí)踐運(yùn)用中，為了提高靈敏度，減小非線為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動(dòng)式構(gòu)造。性，可采用差動(dòng)式構(gòu)造。變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的特性dx 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation三、變介電常數(shù)式電容器：三、變介電常數(shù)式電容器： 由于各種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所由于各種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同

5、，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。器的電容量也就不同。表表3-1 3-1 幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway TransportationxBACCC相當(dāng)于兩電容并聯(lián)：相當(dāng)于兩電容并聯(lián)：2211ddbxCA其中：其中：121)(ddxlbCB2110ddblC取取x=0時(shí)電容為時(shí)電容為C0，有，有經(jīng)過(guò)改動(dòng)介質(zhì)面積改動(dòng)介電常數(shù)經(jīng)過(guò)改動(dòng)介質(zhì)面積改動(dòng)介電常數(shù) 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 電容與電容與x

6、的關(guān)系推導(dǎo)如下：的關(guān)系推導(dǎo)如下：12102211ddbxCddbxCCCBAxddlCC212121001結(jié)論：電容與位移結(jié)論：電容與位移x x之間呈線性關(guān)系。之間呈線性關(guān)系。 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation當(dāng)某種介質(zhì)處于兩極板間時(shí)，介質(zhì)厚度 越厚，電容量也就越大。當(dāng)介質(zhì)厚度堅(jiān)持不變、而相對(duì)介電常數(shù)r改動(dòng)，如空氣濕度變化，介質(zhì)吸入潮氣 r水1時(shí)，電容量將變大。當(dāng)被測(cè)液體絕緣體的液面在兩個(gè)同心圓金屬管狀電極間上下變化時(shí)，引起兩電極間不同介電常數(shù)介質(zhì)上半部分為空氣，下半部分為液體的高度變化，因此導(dǎo)致總的電容量變化。因此，變介電常數(shù)式電容傳

7、感器可以檢測(cè)片狀資料的厚度、性質(zhì)，含水量以及丈量液體的液位等。 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation差動(dòng)電容傳感器構(gòu)造表示圖a差動(dòng)變極距式 b差動(dòng)變面積式1動(dòng)極板 2定極板從熱脹冷縮和電源電壓動(dòng)搖、頻率動(dòng)搖等方面，分析差動(dòng)電容傳感器的益處：1、提高傳感器的靈敏度，減小非線性。2、外界的影響諸如溫度、鼓勵(lì)源電壓、頻率變化等也根天性相互抵消，即減小外部影響帶來(lái)的相對(duì)誤差補(bǔ)充：差動(dòng)電容傳感器補(bǔ)充：差動(dòng)電容傳感器 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器丈量電路電容式傳感器

8、丈量電路一、普通交流電橋一、普通交流電橋二、緊耦合電感臂電橋二、緊耦合電感臂電橋三、變壓器電橋三、變壓器電橋四、雙四、雙T T電橋電橋五、運(yùn)算放大器式丈量電路五、運(yùn)算放大器式丈量電路六、脈沖調(diào)制電路六、脈沖調(diào)制電路七、調(diào)頻電路七、調(diào)頻電路 電橋式電橋式 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation一、普通交流電橋：要求提供幅值和一、普通交流電橋：要求提供幅值和頻率很穩(wěn)定的交流電源，并要求電橋頻率很穩(wěn)定的交流電源，并要求電橋放大器的輸入阻抗很高放大器的輸入阻抗很高 電容電容變化變化交流交流電壓電壓變化變化初始初始電電橋橋平平衡衡交流交流電壓電壓放大放

9、大檢出檢出直流直流電壓電壓濾掉濾掉交流交流分量分量直流直流電電壓壓輸輸出出ZiZiZ ZiZZZZZZZUZZU)(211210 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation二、緊耦合電感臂電橋：抗干擾才干強(qiáng)，穩(wěn)定性高，二、緊耦合電感臂電橋：抗干擾才干強(qiáng)，穩(wěn)定性高，適宜高頻適宜高頻 電源下任務(wù)電源下任務(wù)LZKZZKZZZKZZKZZKZUZZU)1 ()1 ()1 (211)1 (1 )1 (1 12121212120Z ZZLZL為為電橋電橋負(fù)載負(fù)載阻抗阻抗LjZ12CjZ12CjCZLjZ12LjMLjK)(1 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 Sch

10、ool of Railway Transportation三、變壓器電橋：運(yùn)用元件最少，三、變壓器電橋：運(yùn)用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。用。111CjZ221CjZ1Z2ZI21ZZUI21212112221202222CCCCUZZZZUUZZZUUUUC差動(dòng)式差動(dòng)式 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway TransportationddUCCCCUU2221210ddAC1ddAC2假設(shè)變壓器電橋的假設(shè)變壓器電橋的Z1、Z2采用兩個(gè)變間隙電容差動(dòng)采用兩個(gè)變間隙電容差動(dòng)式，有式，有輸出電壓與位移呈線性關(guān)系輸出電壓與位移呈線性關(guān)

11、系處理了單個(gè)變極距型電容傳感器處理了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題的非線性問(wèn)題 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation四、雙四、雙T T電橋電橋雙雙T電橋電路電橋電路0U正半周：正半周：C1充電，充電，C2放電放電差動(dòng)式負(fù)載+i C1i C2 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation負(fù)半周：負(fù)半周：C2充電，充電，C1放電放電在負(fù)半周時(shí)，二極管在負(fù)半周時(shí)，二極管V2V2導(dǎo)通、導(dǎo)通、V1V1截止，電容截止，電容C2C2很快被充電至很快被充電至電壓電壓U U；電源經(jīng)電阻；電源經(jīng)電阻R2R2以以

12、i1i1 向負(fù)載電阻向負(fù)載電阻RLRL供電，與此同時(shí)，供電，與此同時(shí)，電容電容C1C1經(jīng)電阻經(jīng)電阻R1R1、負(fù)載電阻、負(fù)載電阻RL RL 放電，流過(guò)放電，流過(guò)RL RL 的放電電流為的放電電流為i2i2。流過(guò)。流過(guò)RLRL的總電流的總電流iLiL為為i1i1 和和i2i2的代數(shù)和。的代數(shù)和。 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation假設(shè)假設(shè)C1=C2，R1=R2=R，那么正、負(fù)半周對(duì)稱那么正、負(fù)半周對(duì)稱VU00)()()2(2120CCfURRRRRRULLL00UV假設(shè)假設(shè)C1或或C2變化時(shí)，變化時(shí)，那么正、負(fù)半周不再對(duì)稱那么正、負(fù)半周不再對(duì)

13、稱CfUKU0或：或：輸出電壓輸出電壓平均值：平均值： 雙雙T T電橋特點(diǎn)：電路有一個(gè)公共接地點(diǎn)；二極管任務(wù)電橋特點(diǎn)：電路有一個(gè)公共接地點(diǎn)；二極管任務(wù)于線性任務(wù)段；輸出電壓高；丈量靈敏度與電源頻率有于線性任務(wù)段；輸出電壓高；丈量靈敏度與電源頻率有關(guān)；可以用于動(dòng)態(tài)丈量。關(guān)；可以用于動(dòng)態(tài)丈量。 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation五、運(yùn)算放大器式丈量電路五、運(yùn)算放大器式丈量電路xxiCCCjCjUU00011dACxAdCuCCuuixi000 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation六、脈沖調(diào)

14、制電路六、脈沖調(diào)制電路ru原原1 1充電充電原原0 0升壓升壓變變1 10 01 11U輸出限幅輸出限幅 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation初始初始C1=C2，M、N等間隔等間隔0、1翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)， 輸出平均電壓為輸出平均電壓為0。假設(shè)假設(shè)C1、C2不等，不等，M、N翻轉(zhuǎn)將不再等間翻轉(zhuǎn)將不再等間隔，輸出平均電壓會(huì)向正或負(fù)偏離：隔，輸出平均電壓會(huì)向正或負(fù)偏離：121210UCCCCU可見：輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系可見：輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation

15、UddU100 USSU100 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation)(21010CCCCLf初始振蕩頻率：初始振蕩頻率：電容改動(dòng)電容改動(dòng)C C后的振蕩頻率：后的振蕩頻率：)(2101CCCCCLff七、調(diào)頻電路：把電容式傳感器與電感元件構(gòu)成振蕩器諧七、調(diào)頻電路：把電容式傳感器與電感元件構(gòu)成振蕩器諧振電路。當(dāng)電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩頻率發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)振電路。當(dāng)電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩頻率發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)化振幅的變化，經(jīng)放大器進(jìn)展顯鑒頻

16、電路將頻率的變化轉(zhuǎn)化振幅的變化，經(jīng)放大器進(jìn)展顯示。示。振蕩電感振蕩電感固定電容固定電容傳感器電容傳感器電容電纜分布電容電纜分布電容振蕩頻率振蕩頻率變化變化電壓電壓變化變化 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway

17、 Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的運(yùn)用電容式傳感器的運(yùn)用 電容器的容量受三個(gè)要素影響，即：電容器的容量受三個(gè)要素影響

18、，即：極距極距x、相對(duì)面積、相對(duì)面積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。固。固定其中兩個(gè)變定其中兩個(gè)變 量，電容量量，電容量C 就是另一個(gè)變就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只需想方法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)量的一元函數(shù)。只需想方法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以經(jīng)過(guò)丈量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)到達(dá)非電量以經(jīng)過(guò)丈量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)到達(dá)非電量電測(cè)的目的。電測(cè)的目的。 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation一、電容式位移傳感器一、電容式位移傳感器測(cè)桿測(cè)桿固定電極固定電極活動(dòng)電極活動(dòng)電極開槽片簧開槽片簧差動(dòng)式變

19、面積型位移傳感器 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation二、電容式壓力傳感器：變極距型二、電容式壓力傳感器：變極距型PP 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation三、電容式加速度傳感器三、電容式加速度傳感器-差動(dòng)式變極距型差動(dòng)式變極距型固定電極固定電極固定電極固定電極質(zhì)量塊質(zhì)量塊m m質(zhì)量塊質(zhì)量塊m m 彈簧片彈簧片+ +C C- -C C 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation加速度傳感器在汽車中的運(yùn)用加速度傳感器在汽車中的運(yùn)用 加速度傳感

20、器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超越設(shè)定值時(shí)，當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超越設(shè)定值時(shí)， 微處置器據(jù)此判微處置器據(jù)此判別發(fā)生了碰別發(fā)生了碰 撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式平安氣撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式平安氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。部。 裝有傳感裝有傳感器的假人器的假人氣囊氣囊 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation汽車氣囊對(duì)駕駛員的維護(hù)作用汽車氣囊對(duì)駕駛員的維護(hù)作用 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School

21、 of Railway Transportation利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn) 延延時(shí)起爆的鉆地炸彈時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置傳感器安裝位置 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation四、電容式液位傳感器四、電容式液位傳感器絕緣絕緣內(nèi)電極內(nèi)電極外電極外電極不導(dǎo)電液體不導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體絕緣絕緣內(nèi)電極內(nèi)電極外電極外電極變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型變面積型變面積型 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Railway Transportation電容式液位計(jì)電容式液位計(jì) 棒狀電極金屬管棒狀電極金屬管外面包裹聚四氟乙烯套外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容與導(dǎo)電液體之間的電容變大。變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套 軌道交通學(xué)院軌道交通學(xué)院 School of Rail