第3章-电容式传感器及应用.ppt
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2023/8/22,1,第3章电容式传感器及应用,2023/8/22,2,引言,电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器。
结构简单、分辨力高、可非接触测量,并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作。
很有发展前途的传感器。
2023/8/22,3,目录,3.1、电容式传感器工作原理及类型;3.2、电容式传感器的转换电路;3.3、电容式传感器的应用;,2023/8/22,4,3.1、电容式传感器工作原理及类型,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为保持其中两个参数不变,仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。
电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式3种类型。
2023/8/22,5,2023/8/22,6,3.1.3变面积型电容传感器,2023/8/22,7,3.1.1、变面积式电容传感器,面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变,被测量的变化使其有效作用面积发生改变。
变面积式电容传感器的两个极板中,一个是固定不动的,称为定极板,另一个是可移动的,称为动极板。
2023/8/22,8,面积变化型电容传感器原理,2023/8/22,9,(a)为平板形位移电容传感器。
设两个相同极板的长为b,宽为a,极板间距离为d,当动极板移动x后,电容Cx也随之改变。
电容的相对变化量和灵敏度为,常数,2023/8/22,10,(b)为角位移形式的电容传感器。
当动极板有一角位移时,两极板的相对面积A也发生改变,导致两极板间的电容量发生变化:
当时当时,2023/8/22,11,推导过程:
其灵敏度为:
是电容与角位移成线性关系。
变面积式电容传感器的输出是线性的,灵敏度K是一常数。
2023/8/22,12,3.1.2、变极距式电容传感器,两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变,则电容量C随极距d按非线性关系变化,,2023/8/22,13,电容值,动极板2未动时传感器初始电容()。
当动极板2向上移动x值后,,2023/8/22,14,结论分析,当时变极距式电容传感器的灵敏度为常数,极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成反比,极距越小灵敏度越高。
但过小,容易引起电容器击穿或短路。
为此,极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质。
2023/8/22,15,图4-4变极距型电容传感器特性曲线,在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,常采用差动结构。
其结构原理如图所示。
当动极板上下移动时,即其中一个电容量增大,而另一个电容量则相应地减少,C1和C2成差动变化。
以消除非线性因素造成的测量误差。
2023/8/22,16,差动平板式电容传感器,目的:
提高灵敏度;减小非线性误差;,灵敏度:
差动工作方式,电容传感器的灵敏度提高了一倍,非线性得到了很大的改善。
2023/8/22,17,3.1.3、变介电常数式电容传感器,介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变,被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。
主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化,如介质厚度、介质湿度、液位等。
2023/8/22,18,介质变化型电容传感器结构,2023/8/22,19,电容增量与被测液位的高度成线性关系。
K是常数,成线性关系。
2023/8/22,20,只要测出传感器电容C的大小,就可得到液位hx。
2023/8/22,21,2023/8/22,22,变介质型电容式传感器,平板式,电容变化与电介质的移动量L成线性关系;式中:
L0,b0极板长度和宽度;可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度,也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度;,电容的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。
2023/8/22,23,3.2、电容式传感器的测量转换电路,电容传感器将被测量的变化转换成电容的变化后,还需由后接的转换电路将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。
2023/8/22,24,转换电路的组成部分,1运算放大式电路;2交流电桥;3调频电路;4脉冲宽度调制电路;5二极管双T型交流电桥;,2023/8/22,25,3.2.1、运算放大器,运算放大器的特点:
放大倍数大、输入阻抗高,在理想运算放大器中,根据“虚短”和“虚断”,0为“虚地”,i=0,于是有:
则:
“-”说明输出与输入反相,2023/8/22,26,3.2.1、运算放大器式电路,运算放大器要求:
输入阻抗高(避免泄漏)、放大倍数大(接近理想放大器),特点:
1.输出电压与极板距离d成正比2.为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定,图3-10运算放大器式电路原理图,2023/8/22,27,若Cx是变面积式电容传感器,则将传感器电容Cx与固定电容C交换位置,也可得到线性特性。
为了保证测量精度,要求电源电压u和固定电容C必须稳定。
式(3-18)中“一”号表示运算放大器的输出电压uo与电源电压ui反相:
由于Cx变化小,所以该电路实现起来困难.,(3-18),2023/8/22,28,2交流电桥,将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂,通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。
电桥通常采用由电阻-电容、电感-电容组成的交流电桥,图3-6为电感-电容电桥。
2023/8/22,29,分析,变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的4个桥臂,由高频稳幅的交流电源为电桥供电。
电桥的输出为一调幅值,经放大、相敏检波、滤波后,获得与被测量变化相对应的输出,最后为仪表显示记录。
2023/8/22,30,测量电路:
电桥电路,交流电桥的输出电压为:
输出与位移成理想线性关系,2023/8/22,31,3.调频电路,把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络中,被测量的变化引起传感器电容的变化,继而导致振荡器谐振频率的变化。
频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化,经过放大器放大后输出。
2023/8/22,32,3.2.3调频电路调频电路是将电容传感器与电容、电感元件构成振荡器的谐振回路,如图3-10所示。
图中Cx是电容传感器,Cc是传感器引线分布电容,C和L是谐振回路的固有电容、电感。
当电容传感器工作时,电容量发生变化,导致振荡器的振荡频率发生变化。
但振荡频率变化的同时,振荡器输出幅值也发生改变,为此在振荡器之后加入限幅环节,然后通过鉴频电路将频率变化转换为电压变化,再经放大器放大后即可显示或记录。
图3-10调频电路,振荡器的振荡频率为:
式中:
C谐振回路的总电容,C=Cx+Cc+C,2023/8/22,33,当传感器尚未工作时,传感器电容为初始值Cx=C0,振荡器的振荡频率为:
当传感器工作时,Cx=C0士C,震荡器的振荡频率为:
振荡器输出是一个受被测信号调制的调频波,中心频率f0一般选在1MHz以上。
调频电路的灵敏度较高,可以测量0.01m级甚至更小的位移变化量。
输出调频波易于用数字仪器测量,便于与计算机通信,抗干扰能力强,可以发送、接收以实现遥测遥控。
2023/8/22,34,4脉冲宽度调制电路,脉冲宽度调制电路(PWM)是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化,然后通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。
2023/8/22,35,3.2.3、脉冲宽度调制电路,C1充电,VF。
当VFUc时,Q=0,信号反转,Q=1。
C1经D1放电。
C2充电,VG。
当VGUc时,Q=0,Q=1,再次反转。
C2经D2放电。
C1和C2为差动电容,2023/8/22,36,2023/8/22,37,3.2.3、脉冲宽度调制电路,uA,uB,uAB,t,t,t,U1,U1,U0,0,0,0,T1,0,Uc,uF,t,T2,0,Uc,uG,t,输出电压Uo,值为A、B两点电压平均值uA与uB之差,即,式中:
T1、T2分别为C1、C2充至Uc需要的时间,即A点和B点的脉冲宽度;U1为触发器输出的高电位。
2023/8/22,38,3.2.3、脉冲宽度调制电路,设双稳态触发器输出高电平U1,低电平0,R1=R2,当d1=d0-d,d2=d0+d时,有,直流输出电压uAB与极距变化量成正比。
或,2023/8/22,39,6.2.3、脉冲宽度调制电路,对于差动式变极距型电容式传感器,对于差动式变面积型电容式传感器,(3-29),(3-30),2023/8/22,40,如图所示:
当传感器没有输入时,C1=C2。
电路工作原理如下:
当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,于是电容C1充电;在随后负半周出现时,电容C1上的电荷通过电阻R1,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I1。
在负半周内,VD2导通、VD1截止,则电容C2充电;在随后出现正半周时,C2通过电阻R2,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I2。
根据上面所给的条件,则电流I1=I2,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。
5、二极管双T型交流电桥,2023/8/22,41,若传感器输入不为0,则C1C2,那么I1I2,此时RL上必定有信号输出,其输出在一个周期内的平均值为:
式中f为电源频率。
当RL已知,式中R(R+2RL)/(R+RL)2RL=M(常数);则Uo=UifM(C1-C2);,2023/8/22,42,3.3、电容式传感器的应用,电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测量,还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。
2023/8/22,43,分类,1电容式接近开关;2电容式油量表;3电容式差压传感器;4电容测厚仪;,2023/8/22,44,1电容式接近开关,检测极板,充填树脂,测量转换电路,塑料外壳,灵敏度调节电位器,工作指示灯,信号电缆,2023/8/22,45,电容式接近开关,2023/8/22,46,1、应用:
电容式接近开关,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。
电容式传感器的结构原理,2023/8/22,47,工作过程
(1),当没有物体靠近检测极时,检测板与大地间的电容量C非常小,它与电感L构成高品质因数(Q)的LC振荡电路,Q=1/CR。
当被检测物体为地电位的导电体时,检测极板对被检测物体电容C增大,LC振荡电路的Q值将下降,导致振荡器停振。
根据输出电压U0的大小,可大致判定被测物接近的程度。
2023/8/22,48,2.电容式油量表,1油料2电容器3伺服电机4减速器5指示表盘,当油箱中注入油时,液位上升至h处,电容的变化量CX与h成正比,电容为CX=CX0+CX。
此时,电桥失去平衡,电桥的输出电压U0经放大后驱动伺服电动机,由减速箱减速后带动指针顺时针偏转,同时带动RP滑动,使RP的阻值增大,当RP阻值达到一定值时,电桥又达到新的平衡状态,U0=0,伺服电动机停转,指针停留在转角X1处。
可从油量刻度盘上直接读出油位的高度h。
2023/8/22,49,工作原理,当油箱中的油位降低时,伺服电动机反转,指针逆时针偏转,同时带动RP滑动,使其阻值减少。
当RP阻值达到一定值时,电桥又达到新的平衡状态,U0=0,于是伺服电动机再次停转,指针停留在转角X2处。
如此,可判定油箱的油量。
2023/8/22,50,3.电容式差压传感器,1弹性膜片2凹玻璃圆片3金属涂层4输出端子5空腔6过滤器7壳体,当被测压力通过过滤器6进入空腔5时,金属弹性膜片1在两侧压力差作用下,将凸向压力低的一侧。
膜片和两个镀金玻璃圆片2之间的电容量发生变化,由此可测得压力差。
2023/8/22,51,这种传感器分辨率很高,常用交流电桥测量,如图所示。
2023/8/22,52,4电容测厚仪,1金属带材2电容极板3传动轮4轧棍,被测金属带材与其两侧电容极板构成两个电容C1和C2,把两电容极板连接起来,它们和带材间的电容为差动式。
当带材厚度发生变化时,将会导致两个电容器C1、C2的极距发生变化,从而使电容值也随之变化。
把变化的电容送到交流电桥电路,最后由电压仪表指示出金属带材变化的厚度。
2023/8/22,53,下课了,休息休息!
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