第3章 电容式传感器课件--大学PPT课件.ppt模板

电容式传感器电容式传感器电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。优点：●结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作；●可非接触测量；●灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量；●极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度；缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。电容式传感器的工作原理及结构类型电容式传感器的应用电容式传感器电容式传感器的工作原理及结构类型一、工作原理及结构类型二、变间隙式电容传感器三、变面积式电容传感器四、变介电常数式电容传感器五、电容式传感器的分类六、电容式传感器的输出特性电容式传感器一、工作原理及结构类型电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应，电容器的电容量：dSdSCr0S——两平行极板所覆盖的面积；D——两平行极板之间的距离；——极板间介质的介电常数；0——真空介电常数（8.854×10-12F•m-1）r——介质相对真空的介电常数，r空气≈1，其它介质r1。当被测量使得S、d或发生变化时，电容量C也随之变化。一般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。电容式传感器电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、变面积式和变介电常数式。（a）、（b）变间隙式；（c）、（d）、（e）、（f）变面积式；（g）、（h）变介电常数式电容式传感器二、变间隙式电容传感器初始电容00dSC202000001111dddddSdddSddSC当dd0时，可简化为0000011ddCCdddSC这时C与d近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成d在极小的范围内变化。此外由曲线图可以看出，d0越小，灵敏度越高。灵敏度若电容器极板距离由初始值d0变化了d，d1=d0±d，其电容量0001ddCCCC)...(时dddcdCs电容式传感器一般电容式传感器的起始电容在20~30pF之间，极板距离在25~200m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10。此类电容传感器仅适于较小位移的测量，但分辨率极高，可测0.01m的线位移。在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响，常常把传感器做成差动的形式。当动极板移动后，C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增大，而另一个电容量则相应减小，这样可以消除外界因素所造成的测量误差。差动式可使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。电容式传感器差动式平板电容器中,当动极板位移Δd时,电容器C1的间隙d1变为d0-Δd,电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则...])()(1[2402000ddddddcc电容值相对变化量：...])()(1[3020001ddddddcc...])()(1[3020002ddddddcc•灵敏度提高一倍,非线性误差大大降低。001ddAC002ddAC电容式传感器三、变面积式电容传感器包括角位移和线位移（平面线位移、圆筒线位移）变面积式电容传感器输入输出成线性关系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。dSC电容式传感器1.角位移当动极板有一个角位移θ时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ＝0时，则dSC0当θ≠0时，则001CCdSC这种形式的传感器电容量C与角位移θ是成线性关系的。00CCCC灵敏度：0CCK电容式传感器2.平面线位移极板起始覆盖面积为S＝a×b，定极板定极板动极板动极板沿活动极板宽度方向移动x，则改变了两极间覆盖面积。忽略边缘效应，改变后的电容量为初始电容：dabC0xdbCdxbbadxabCx0)(axCxdbCCCx00C与x成线性关系电容式传感器增加极板长度b、减小极板间距d都可以提高灵敏度K；减小极板宽度a可提高相对灵敏度KC，而极板起始覆盖长度b与相对灵敏度KC无关。但a不能太小，必须保证a》d，否则边缘不均匀电场影响将增大。相对灵敏度灵敏度灵敏度、相对灵敏度均为常数。dbxCKaxaxxCCKC1//0定极板定极板动极板动极板电容式传感器平板式极板做线位移测量最大不足之处是对移动极板平行度要求高，稍有倾斜则极距d变化，影响测量精度。因此在一般情况下，变面积式电容传感器常做成圆筒形的。右图为齿形极板，也是变面积式电容传感器。可增加遮盖面积，提高分辨率和灵敏度。当极板的齿数为n时，xdbCnnCCxx0xdbnnCCCCCxx00灵敏度为dbnxCK为单极板的n倍。移动x后00nCC电容式传感器四、变介电常数式电容传感器（a）图为测电介质厚度x；（b）图为测位移量x；（c）图为测液面位置和液量；（d）图为根据介质的介电常数随温度、湿度、容量改变来测温度、湿度、容量等。以（b）为例，其电容量为11221ddbaCA1211ddalbCB式中b——极板宽度。电容式传感器设在电极中无2介质时的电容量为C0，即2110ddblC212121001ddlaCCCCCBA表明电容量C与位移a成线性关系。电容式传感器变介质型电容式传感器如图所示，一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,则此时变换器电容值为dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21电容式传感器dDhcln)(210式中：ε——空气介电常数;C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,C0=。由式可见,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。dDHln2电容式传感器电容式传感器的应用电容式传感器因灵敏度高、响应时间短、结构简单、能在恶劣条件下工作、可非接触测量等优点，广泛应用于位移、振动、加速度、角度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。电容式传感器一、转速测量1—齿轮（动极板）2—定极3—电容传感器4—频率计60Nfn电容式传感器二、电容式差压传感器（差压变送器）它由金属弹性测量膜片7与凹型绝缘体5（陶瓷、玻璃等）上金属膜6（镀金）组成两室结构，室内充满硅油。金属弹性膜片7为动极板，凹型绝缘体上的金属膜6为定极板，构成差动变间隙电容传感器。1、4－波纹隔离膜片；2、3－基座；5－玻璃层；6－金属膜；7－弹性测量膜片电容式传感器用途：测量压力差。原理：当左右隔离膜片分别承受两个压力产生变形时，被测压力通过隔离膜片及硅油导入空腔，施加在作为动极板的金属弹性膜片两侧。当这两个压力不同时，弹性膜片两侧有压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个定极板与动极板间的电容量。这种传感器的灵敏度和分辨率都很高。其灵敏度取决于初始间隙d0，d0越小灵敏度越高。其动态响应主要取决于弹性膜片的固有频率。若接入差动电桥，输出电压与压力差成线性关系，且与介质的介电常数无关。电容式传感器三、电容式加速度传感器左图是一种差动电容式加速度传感器的工作原理图。传感器由两个差动电容组成，上极板与悬臂梁构成C1，悬臂梁与下极板构成C2。当加速度为零时，悬臂梁处在上、下极板的中间位置，C1＝C2；当有加速度存在时，由F＝ma，有一惯性力F作用在悬臂梁上，悬臂梁产生变形，与两定极板的距离发生变化，于是C1≠C2。a=0a≠0绝缘质量块弹簧右图是另一种差动电容式加速度传感器的结构示意图。上下各有一固定电极1、2，作为上、下定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，上下端面磨平抛光后作为动极板。电容式传感器2020/2/17第四章非电量的电测技术22电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。电容式传感器2020/2/17第四章非电量的电测技术23液位限位传感器的设定•智能化液位传感器的设定方法：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮电容式传感器2020/2/17第四章非电量的电测技术24智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯第四章非电量的电测技术(1)加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊第四章非电量的电测技术汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。电容式传感器在被测体的两个固定点上，安装两个薄而低的拱形弧板，两个拱形弧板的曲率略有差别，两个长方形电极板固定在拱形弧板的中央。安装时应注意两个极板保持平行并平行于安装传感器的平面。拱形弧板具有一定的放大作用，当两固定点受压缩（两点距离减小）或受拉伸（两点距离增大）而产生位置变化时，电容极板间距发生变化（受压缩时极距变小、受拉伸时极距变大），从而使电容值变化。拱形弧板一般用镍合金制造。四、电容式应变计对于某些被测物由于受力而产生的形变或受温度影响的膨胀、收缩，可以采用电容式形变传感器（或称电容式应变计）测量，以弥补某些条件下电阻应变片测量的不足。电容式传感器在弹性钢板内平行圆孔间设置平行板电容器，当钢板受压力变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变。主要用于重负载。五、电容式荷重传感器电容式传感器示波器传感器记录器六、电容式振动、位移测量仪下图为DWY-3型振动、位移测量仪用于测量旋转轴的回转精度和振摆示意图。该仪器主要用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往复机构的运动特性和定位精度、机械构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和平直度等。电容式传感器引申小知识•大家都用过收音机。当你搜寻电台时有没有想过，收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？如果打开收音机的后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的是一个旋转式可变电容器。当你顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电容量C也就越来越小，如图所示，谐振频率也随之改变,从而可以从550kHz逐渐增加到1650kHz，就可以从一个电台转换到另一个电台。在数字式收音机中，是用变容二极管来调谐电台的。•电容器在电子仪表中作为元器件来使用；在非电量电测中作为测量位移的传感器来使用。电容传感器的容量与投影面积的关系演示