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2019年一章电容式传感器.ppt_图文

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第3章 电容式传感器 本章的主要内容有: 1.电容式传感器的结构原理; 2.电容式传感器的主要测量电路; 3.电容式传感器的结构类型; 4.电容式传感器的典型应用; 通过学习要求掌握电容式传感器的正确选用方法。 回顾: 第二章主要讲述了电阻式传感器,其主要内容有: 1、定义: 电阻式传感器 :是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。 2、分类: 1)按工作的原理可分 2)按制作方式分 3、电阻应变式传感器--应变片 1)原理: 基于金属导体的应变效应,即金属导体在外力作用下发生机械变形 时,其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。 2)应变片的电阻变化率: dR 2 d R 3)金属丝应变片: 对金属材料,导电率不变: dR (1 2 ) R 4)半导体应变计 dR d R 4、应变片测量电路 R1 R2 E V R4 R3 V R2 R4 R1R3 E (R1 R4 )( R2 R3 ) 第3章 电容式传感器 1、变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化 2、优点:结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适 应性强、抗过载能力大及价格低廉。 3、缺点:电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也 给它的应用带来一定的局限 4、应用:测量压力、力、位移、振动、液位等参数。 3.1 电容式传感器的原理与类型 电容式传感器的基本工作原理如图所示,从中可看出,?,A,d三个 参数都直接影响着电容量C的大小。所以电容式传感器可以分为三种类 型: + A C 0A + + δ、A或ε发生变化时, 都会引起电容的变化。 1、改变极板面积的变面积式; 2、改变极板距离的变间隙式; 3、改变介电常数的变介电常数式。 3.1.1 变面积式电容传感器 (1)直线位移型 当动极板移动△x后,覆盖面积 就发生变化,电容量也随之改 变,其值为 C C C0 b d x C0 x a 其灵敏度为 K C b x d 变面积式电容传感器的灵敏度为常数,即输出与输入呈线形关系。 (2)角位移型 下图是角位移型电容式传感器。 当动片有一角位移时,两极板间覆盖面积就发生变化, 从而导致电容量的变化,此时电容值为 C 角位移型 A(1 ) d C0 (1 ) + + + (3)园柱型电容传感器 下图是园柱型,当动极板有一线位移时,两极板间覆盖面积就发 生变化,从而导致电容量的变化 C 0A 3.1.2 变间隙式电容传感器 (改变极间距离) 下图为变间隙式电容传感器的原理图。当活动极板因 被测参数的改变而引起移动时,两极板之间的电容量C就 改变了。 设极板面积为A,其静态电容量为 C A d ,当活动极板移动x后,其电容量为 C A d x 1 x C0 1 d x2 d2 例:电容式传声器 讨论: 当x<<d时 1 x2 1 d2 则 C C0 (1 x d ) 1、电容量C与x不是线性关系,只有当 x<<d时,才 可认为是最近似线形关系。 2、要提高灵敏度,应减小起始间隙d过小。 3、当d过小时,又容易引起击穿,同时加工精度要求也 高了。 4、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质 来提高绝缘性, 5、在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,可 采用差动式结构。 3.1.3 变介电常数式电容传感器 1)当电介质改变时,电容量也会变化,可用下式表示。上图 为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位 或液位,也可测量位移。 C 0A 2)应用举例1:电容式接近开关 被测物体 感应电极 2:电容式转速传感器的结 构原理 振荡电路 测量头构成电容器的一个极板,另一个极板是物体本身, 当物体移向接近开关时,物体和接近开关的介电常数发 生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化. 由此便可控制开关的接通和关断;接近开关的检测物体, 并不限于金属导体,也可以是绝缘的液体或粉状物体。 3.2 常用测量电路 常用电路有:双T电桥电路、运算放大器测量电 路、脉冲调制电路、调频电路。 3.2.1 双T电桥电路 1)测量电路 电路原理如图所示。图中C1、C2为差动电容式 传 感 器 的 电 容 , RL 为 负 载 电 阻 , V1、V2 为 理 想二极管,R1、R2为固定电阻。 V2 V1 u~ C1 R2 R1 RL C2 2)原理分析见下图 图3.2.1 双T电桥电路 当V1导通、V2截止时C1充电;反之V1截止、 V2导通时C2充电,由图中可以看出,一路通过R1、 RL,另一路通过R1、R2、V2,这时流过RL的电流 为i1。 若C1或C2变化时,在负载RL上产生的平均 电流将不为零,因而有信号输出。 3)双T电桥电路的特点: I. 有一个公共接地点。 II. V1和V2工作在伏安特性的线性段。 III. 输出电压较高。 IV. 灵敏度与电源频率有关。 V. 可以用作动态测量。 3.2.2 运算放大器式测量电路 电路的原理如上图所示。其输出电压 u 0 ui 以 Cx A d 代入上式,则有 u0 ui C0 A d C0 Cx 输出电压u0与动极片位移d成线性关系。 3.2.3 脉冲调制电路 这种电路根据差动电容C1和C2的大小控 制直流电压的通断,所得方波与C1和C2有确 定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触 发器的两个输出端。 当C1=C2时,两个电容充电时间常数相等, 两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为 零。反之不为零,且T1正比于C1,而T2正比于 C2,输出电压为 u0 C1 - C2 C1 C2 u1 可见,输出电


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