第4章電容傳感器-PPT課件

1、第四章 電容傳感器第一節(jié) 工作原理與類型第二節(jié) 轉(zhuǎn)換（測量）電路第三節(jié) 電容式傳感器的誤差分析第四節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用第五節(jié) 電容式集成傳感器電容傳感器優(yōu)點(diǎn)： 測量范圍大，相對(duì)變化量可大于100; 靈敏度高，分辨率高； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短； 機(jī)械損失??； 結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，可非接觸測量。缺點(diǎn)： 寄生電容影響較大，降低了測量靈敏度； 與傳感器聯(lián)接的線路較復(fù)雜。1.變換原理: 將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+S 當(dāng)被測量、S或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。電容式傳感器2

2、 分類 電容式傳感器 c) 介質(zhì)變化型a) 極距變化型;+b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.+第一節(jié) 工作原理與類型一、工作原理 兩個(gè)金屬板間的電容為 二、類型1. 變極距（）型電容傳感器2. 變面積（S）型電容傳感器3. 變介電常數(shù)（）型電容傳感器？電容傳感器的結(jié)構(gòu)形式1. 變極距（）型電容傳感器電容微位移計(jì)忽略高次項(xiàng)1. 變極距（）型電容傳感器靈敏度：線性度：1. 變極距（）型電容傳感器 由上面兩式知，0減少可使靈敏度K增大，但非線性誤差也增大。因此常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度，減少非線性誤差。差動(dòng)變極距（）型電容傳感器差動(dòng)變面積（S）型電容傳感器2.變面積（S）型電

3、容傳感器.角位移式當(dāng)轉(zhuǎn)角 時(shí)： 當(dāng)轉(zhuǎn)角 時(shí)： 靈敏度.直線位移式極板起始遮蓋長度初始時(shí)當(dāng)其中一個(gè)極板移動(dòng)距離為x時(shí)，靈敏度.圓柱形設(shè)r1、r2為內(nèi)、外圓筒半徑，忽略邊緣效應(yīng)，內(nèi)外筒間的電容值為：l 為有效長度3.變介電常數(shù)()型電容傳感器.電容液位計(jì) C與液位高度h1成正比.用于測量厚度或介電常數(shù)的變介質(zhì)傳感器可見，這是一個(gè)非線性傳感器。d為兩電極板之間的間距，d1為被測電介質(zhì)的厚度，極間空氣介質(zhì)的厚度為d0=dd1 一、測量電橋 1、單臂橋 第二節(jié) 轉(zhuǎn)換（測量）電路（1）初態(tài)時(shí)：電橋調(diào)整到平衡狀態(tài)，此時(shí)C1C3=C2CX，Uo=0。 （2）工作時(shí)：CX發(fā)生變化，電橋不平衡；即CX變化一個(gè)CX

4、，則電橋輸出Uo，電容變化量越大，電橋輸出電壓越大，輸出電壓能線性反映電容量的變化。 2. 差動(dòng)橋 （1）初態(tài)時(shí)：兩傳感器電容C1=C2=C0， C1= C2= C=0，（1）初態(tài)時(shí)：兩傳感器電容C1=C2=C，此時(shí)電橋空載輸出，即電橋處于平衡狀態(tài)。 （2）工作時(shí) ：工作時(shí)傳感器兩電容值發(fā)生等值反向變化，電橋失去平衡；且電容變化量C越大，不平衡電橋輸出電壓Uo也越大，兩者亦呈線性關(guān)系。 電橋電路特點(diǎn)：1. 接高頻正弦電源；2. 輸出阻抗高（一般可達(dá)幾兆歐到幾十兆歐），輸出電壓低，必須在輸出端后接高輸入阻抗、高電壓放大倍數(shù)的集成運(yùn)算放大器。第二節(jié) 轉(zhuǎn)換（測量）電路二、運(yùn)算放大器測量電路二、運(yùn)算放

5、大器測量電路C0為固定電容，Cx為傳感器電容，R1和R2為平衡電阻，Rw為調(diào)零電位器 解得三、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路基本RS觸發(fā)器S R Q n+10 0 不定0 1 11 0 01 1 不變?nèi)⒉顒?dòng)脈沖調(diào)寬電路三、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路設(shè)若（1）變d型 對(duì)于變d型差動(dòng)電容傳感器，傳感電容的大小與極間距離d成反比，此時(shí)差動(dòng)輸出電壓平均值可改寫為 即對(duì)應(yīng)于C1=C+C，C2=CC，此時(shí)d1=dd，d2=d+d。 （2）變S型 對(duì)于變S型差動(dòng)電容傳感器，傳感電容的大小與極板的有效面積S成正比，即對(duì)應(yīng)于C1=C+C，C2=CC時(shí)，S1=S+S，S2=SS，此時(shí)差動(dòng)輸出電壓平均值可改寫為 第三節(jié) 電容式傳感器的誤

6、差分析 一、溫度影響1. 溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 溫度主要影響傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸。當(dāng)溫度上升時(shí)，電容器極板的面積將增大，極板的厚度增加導(dǎo)致極間距離減小，使電容量增加。補(bǔ)償措施： 選擇溫度系數(shù)小的金屬材料作電容器極板；采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。2、溫度對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響 電容器極板間的介值應(yīng)選擇介電常數(shù)較穩(wěn)定的材料，如云母。二、電容電場的邊緣效應(yīng)補(bǔ)償措施：增加電容器極板面積、減小極間距離、加裝等電位環(huán)等。三、寄生與分布電容的影響補(bǔ)償措施： 縮短傳感器到測量電路前置級(jí)的距離； 驅(qū)動(dòng)電纜法； 整體屏蔽法第四節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用一、電容式差壓變送器二、電容式測微儀三、電容式液位計(jì)電容式液位計(jì)探頭結(jié)構(gòu)圖作業(yè)題：1.若有一單組式變面積型平板型線位移電容傳感器，兩極板相互覆蓋寬度為4mm，兩極板的間隙為0.5mm，極板間介質(zhì)為空氣，試求其靜態(tài)靈敏度？若極板相對(duì)移動(dòng)2mm，求電容變化量？2.對(duì)變極距式電容傳感元件，若初始極板間距為0=1mm，當(dāng)