1309檢測(cè)A4-結(jié)構(gòu)型-電容傳感器課件

第四章結(jié)構(gòu)型-電容傳感器主要內(nèi)容1.電容傳感器基本原理與特性2.電感傳感器測(cè)量電路3.電容式傳感器應(yīng)用學(xué)習(xí)要求1.理解電容傳感器原理、基本構(gòu)成、應(yīng)用特點(diǎn)2.掌握阻抗元件測(cè)量電路的應(yīng)用特性電容式傳感器4.1電容式傳感器原理圖4－21平板電容器ε

--兩個(gè)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A

--兩個(gè)極板相對(duì)有效面積；d0--兩個(gè)極板間的距離改變A、d0、三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類(lèi)型的電容傳感器。

4.1.1變面積式電容式傳感器圖4－20結(jié)構(gòu)4.1電容式傳感器原理直線位移型電容式傳感器4.1.1變面積式電容式傳感器

動(dòng)極板移動(dòng)覆蓋面積變化電容量改變4.1電容式傳感器原理思考：線性關(guān)系？4.1.1變面積式電容式傳感器4.1電容式傳感器原理當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移θ時(shí)，與定極板間有效覆蓋面積發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)θ=0時(shí)，則當(dāng)θ≠0時(shí)，則4.1.2變間隙式電容式傳感器圖4-21變間隙式電容傳感器1-固定極板2-與被測(cè)對(duì)象相連的活動(dòng)極板

靜態(tài)電容量4.1電容式傳感器原理4.1.2變間隙式電容式傳感器4.1電容式傳感器原理d0

較小時(shí)，對(duì)于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0

過(guò)小，容易引起電容器擊穿短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料(云母、塑料膜等)作介質(zhì)。思考：其它衍生的應(yīng)用？4.1.3

變介電常數(shù)式電容式傳感器圖4-26變介電常數(shù)型電容式傳感器的結(jié)構(gòu)4.1電容式傳感器原理4.1.3

變介電常數(shù)式電容式傳感器4.1電容式傳感器原理右圖原理常用于測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。如則思考：線性關(guān)系？4.1.3

變介電常數(shù)式電容式傳感器4.1電容式傳感器原理4.1.4

差動(dòng)式平板電容傳感器4.1電容式傳感器原理思考：差動(dòng)的目的？差動(dòng)C的連接電路？4.2.1電容式傳感器的等效電路4.2電容式傳感器測(cè)量電路由等效電路知，它有一個(gè)諧振頻率，通常為幾十兆赫。并聯(lián)損耗電阻極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗串聯(lián)損耗引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗電容器本身的電感和外部引線電感并/串電阻損耗在低頻時(shí)影響較大工作頻率應(yīng)低于諧振頻率，否則傳感器不能正常工作。有效電容電阻Ce略去損耗運(yùn)算放大器電路圖4-35運(yùn)算放大器式測(cè)量電路4.2電容式傳感器測(cè)量電路4.2.2運(yùn)算放大器測(cè)量電路交流電源電壓思考：與d、S、ε線性？運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題，但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓Ui的幅值和固定電容C0

值穩(wěn)定。4.2電容式傳感器測(cè)量電路4.2.3雙T電橋測(cè)量電路圖4-36雙T電橋電路uL差動(dòng)電容正半周負(fù)半周設(shè)C1和C2為變間隙式電容傳感器，則有負(fù)載阻抗=∞時(shí)，電橋輸出電壓為圖

變壓器電橋原理圖4.2電容式傳感器測(cè)量電路4.2.4變壓器電橋緊耦合電感電橋被測(cè)非電量電容變化U/I/f當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，電橋輸出電壓為圖

緊耦合電感臂電橋4.2電容式傳感器測(cè)量電路消除電感臂分布C對(duì)平衡影響，改善電路零穩(wěn)定性

將電容式傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分，傳感器工作時(shí),電容Cx

發(fā)生變化,就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應(yīng)的變化。L為振蕩回路電感C為振蕩回路總電容。調(diào)頻－鑒頻電路原理圖4.2電容式傳感器測(cè)量電路4.2.5調(diào)頻電路思考：信號(hào)波形？待測(cè)量與信號(hào)關(guān)系？C=C1+C2+Cx，C1

為振蕩回路固有電容C2

為傳感器引線分布電容Cx=C0±ΔC為傳感器的電容4.2電容式傳感器測(cè)量電路4.2.6電容信號(hào)轉(zhuǎn)換集成電路（CAV424）外部設(shè)置振蕩頻率基準(zhǔn)參考電容測(cè)量電容輸入同步對(duì)稱(chēng)鎖相積分4.2電容式傳感器測(cè)量電路4.2.6電容信號(hào)轉(zhuǎn)換集成電路（CAV424）差分信號(hào)在低通濾波后得到被校正的直流信號(hào)4.2電容式傳感器測(cè)量電路4.2.6電容信號(hào)轉(zhuǎn)換集成電路（CAV424）C/V轉(zhuǎn)換器，并包含完整的片上電容信號(hào)處理單元。待測(cè)電容與一個(gè)固定參考電容的電容相對(duì)(5％-100％)變化量。該IC對(duì)10pF到2nF大范圍的電容進(jìn)行了優(yōu)化。高共模抑制比和高分辨率差分電壓輸出信號(hào)可直接連接到后續(xù)的A/D。使用集成的溫度傳感器，易于建立數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)。4.3電容式傳感器應(yīng)用4.3.1電容式振動(dòng)位移傳感器電容式振動(dòng)位移傳感器應(yīng)用示意圖1－電容式傳感器；2－被測(cè)振動(dòng)物；3－被測(cè)軸思考：(1)振動(dòng)振幅x(2)振動(dòng)速度v(3)振動(dòng)加速度a思考：振動(dòng)是什么？什么引起振動(dòng)？圖

電容式稱(chēng)重傳感器1－動(dòng)極板；2－定極板；3－絕緣材料；4－彈性體；5－極板支架圖

差動(dòng)式電容壓力傳感器1－金屬膜片（動(dòng)片）；2－玻璃；3－多孔金屬濾波器；4－金屬鍍層（定片）；5－墊圈4.3電容式傳感器應(yīng)用4.3.2電容式壓力/力傳感器思考：力和壓力？思考：傳感器原理與待測(cè)量？圖4-26電容式液位傳感器1－內(nèi)電極；2－外電極；3－絕緣層4.3電容式傳感器應(yīng)用4.3.3電容式液位傳感器4.3.4

電容測(cè)厚儀圖

電容式測(cè)厚儀原理框圖4.3電容式傳感器應(yīng)用硅微加工加速度傳感器

圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。工作電壓為2.7～5.25V加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)g可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。4.3電容式傳感器應(yīng)用微加工三軸加速度傳感器

技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%4.3電容式傳感器應(yīng)用硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元

2—信號(hào)處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）4.3電容式傳感器應(yīng)用濕敏電容外形吸水高分子薄膜4.3電容式傳感器應(yīng)用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型濕敏電容外形4.3電容式傳感器應(yīng)用電容式油量表

滿(mǎn)油,液位上升,指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。油位降低時(shí),電容傳感器的電容量Cx減小,電橋失衡,伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí),電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài),伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（x

處）。該油量表屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？4.3電容式傳感器應(yīng)用電容式接近開(kāi)關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示4.3電容式傳感器應(yīng)用4.3電容式傳感器應(yīng)用思考:(1)有幾種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，可測(cè)哪些物理量？(2)有哪幾種應(yīng)用電路，輸出關(guān)系？(3)這種傳感器應(yīng)用優(yōu)勢(shì)？作業(yè):4.9、4.12、4.15、4.16

平時(shí)作業(yè)加分題：見(jiàn)后續(xù)PPT頁(yè)預(yù)習(xí):電感傳感器、電路、特性補(bǔ)充作業(yè)1.試推導(dǎo)右圖示介質(zhì)面積的電容傳感器的位移輸入x和電容量C的關(guān)系式（極板寬度為b）。2.變面積式電容傳感器如右圖，求：(1)寫(xiě)出電容量與輸入位移之間關(guān)系以及電容輸出靈敏度表達(dá)式；(2)畫(huà)出利用運(yùn)算放大器構(gòu)成的線性輸出電路原理圖。補(bǔ)充作業(yè)3.下圖a為同心圓柱式電容器；

圖b為單電極電容液位計(jì)示意圖。

請(qǐng)結(jié)合示圖詳細(xì)說(shuō)明該單極電容器的液位測(cè)量原理，如何提高檢測(cè)靈敏度？表達(dá)式補(bǔ)充作業(yè)4.已知兩極板電容傳感器，其極板面積為A，兩極板間介質(zhì)為空氣，極板間距1mm。(1)當(dāng)極距減少0.1mm時(shí)，其電容變化量和傳感器的靈敏度？(2)若參數(shù)不變，將其改為差動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)極距變化0.1mm時(shí)，求其電容變化量和傳感器的靈敏度？(3)并說(shuō)明差動(dòng)傳感器為什么能提高靈敏度和減少線性誤差。

補(bǔ)充作業(yè)5.寫(xiě)出右題圖電容傳感器差動(dòng)橋路空載時(shí)的變截面積A、變