电容式传感器PPT文档格式.ppt

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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（8.85410-12Fm-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。

第4章电容式传感器u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）变介电常数式第4章电容式传感器二、变间隙式电容传感器初始电容当d比较器的参考电压Ur。

l测量原理：

电源接通，Q1，A点为高电位，通过R1对C1充电，UM上升，直到高于Ur时比较器A1产生脉冲使双稳态触发器翻转，A点变为低电位，C1通过D1迅速放电使UM接近零电位，此时B点为高电位，通过R2对C2充电，UN上升，直到高于Ur时比较器A2产生脉冲使双稳态触发器重新翻转，第4章电容式传感器C1=C2时，C1和C2充电相同，电压波形如图（a），输出电压uAB为等宽矩形波，平均电压值为零。

当差动电容C1和C2值不相等时，假设C1C2，则C1和C2充电时间发生变化，电压波形如图（b）。

uAB为不等宽矩形波，平均电压值不为零，C1、C2相差越大，此值越大。

经低通滤波器滤波后获得直流输出电压Uo.。

U1触发器输出高电平A点变为高电位，B点变为低电位，如此周而复始。

第4章电容式传感器对平行板变极距电容器当差动电容C1C2C0。

，即d1d2d0时，Uo0；

若C1C2，C1C2，即d1d0-d，d2d0+d，则若为差动变极板面积电容传感器特点：

（1）输出电压与被测位移（或面积变化）成线性关系；

（2）效率高，不需要解调器，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出；

（3）不需要载波；

（4）调宽频率的变化对输出无影响；

（5）不像调幅线路那样，需对元件提出线性要求；

（6）由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。

第4章电容式传感器五、调频测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。

当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化，将频率的变化在鉴频中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。

也可以直接通过计数器测定其频率资。

（输入CfU）调频接收系统分为直放式调频（a）和外差式调频（b）两种类型。

外差式调频线路比较复杂，但是性能远优于直放式调频电路。

其主要优点是选择性高，特性稳定，抗干扰性能强，灵敏度高。

第4章电容式传感器调频振荡器的振荡频率由下式决定：

式中L振荡回路的电感；

C总电容。

CCl+Cc+C0C；

其中C1振荡回路的固有电容；

Cc传感器的引线分布电容；

C0C传感器的电容。

当被测信号为0时，C0，则CCl+Cc+C0，所以振荡器有一个固有频率当被测信号不为0时，即C0，振荡频率有相应变化，此时，频率为优点：

灵敏度高，可测量0.01m甚至更小位移；

抗干扰能力强；

能获得高电平直流信号（伏特数量级）或频率数字信号（易用于数字仪器和计算机接口）；

受温度影响大。

第4章电容式传感器六、谐振电路电容传感器C3作为谐振回路中（L2，C2，C3）调谐电容的一部分。

谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。

当传感器电容C3发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化又表现为整流器电流的变化。

于是，该电流经过放大后即可指示输入量的大小。

为了获得较好的线性关系、一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的一边，即最大振幅70附近的地方，且工作范围选在BC段内。

比较灵敏。

（1）工作点不容易选好，变化范围也较窄；

（2）传感器与谐振回路要靠近，否则电缆的杂散电容对电路影响较大；

（3）为了提高测量精度，振荡器的频率稳定度要优于10-6的数量级。

第4章电容式传感器4.6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。

一、转速测量二、电容式差压传感器三、电容式加速度传感器四、电容式应变计五、电容式荷重传感器六、电容式振动、位移测量仪七、电容测厚仪八、变面积式电容压力变送器九、电容式料位传感器十、高分子电容式湿度变送器第4章电容式传感器一、转速测量1齿轮（动极板）2定极3电容传感器4频率计第4章电容式传感器二、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弹性测量膜片第4章电容式传感器用途：

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。

第4章电容式传感器三、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，C1C2；

当有加速度存在时，由Fma，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C1C2。

a=0a0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。

第4章电容式传感器电容式加速度传感器目前多采用表面微加工技术制造，如右图所示。

它由三个多晶硅层组成差动电容，第一层和第三层是不动的，第二层是悬臂梁，它在加速度作用下是可运动的。

这种传感器可以和检测电路集成在一起，组成一个加速度检测模块。

其灵敏度可达0.35mV/g/V。

第4章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。

第4章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、电容式荷重传感器第4章电容式传感器六、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。

第4章电容式传感器七、电容测厚仪（电容传感器在板材轧制装置中的应用）电容式测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。

在板材轧制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况，该厚度量的变化现阶段常采用独立双电容测厚传感器来检测。

它能克服两电容并联或串联式传感器的缺点。

应用独立双电容传感器，通过对被测板材在同一位置、同一时刻实时取样能使其测量精度大大提高。

独立双电容测厚传感器一般分为运算型电容传感器和频率变换型电容传感器两种。

前者对0.51.0mm厚度的薄钢板进行测量，其测量误差小于20m；

后者其测量误差小于0.3m。

在被测带材的上、下两侧各置一块面积相等、与带材距离相等的极板，极板与带材就构成了两个电容器C1和C2。

把两块极板用导线连成一个电极，带材就是电容的另一个电极，总电容CxC1C2，第4章电容式传感器运算型电容测厚传感器：

电容Cx与固定电容C0、变压器的次级L1和L2构成交流电桥。

信号发生器提供变压器初级信号，经耦合作交流电桥的供桥电源。

当板材的厚度相对要求值发生变化时，Cx变化。

板材变厚，d减小，Cx增大；

板材变薄，d增大，Cx减小。

此时电桥输出信号也将发生变化，变化量经耦合电容C输出给运算放大器放大整流和滤波；

再经差动放大器放大后，一方面由显示仪表读出该时的板材厚度，另一方面通过反馈回路将偏差信号传送给压力调节装置，调节轧辊间的距离，经不断调节，使板材厚度控制在一定误差范围内。

第4章电容式传感器八、变面积式电容压力变送器德国威格（VEGA）公司生产的变面积式电容压力变送器被测压力作用在金属膜片1上，通过中心柱2，支撑簧片3，使可动电极4随膜片中心位移而动作。

可动电极4与固定电极5都是金属材质上切削成同心环形槽构成的，有套筒状突起断面呈梳齿形，在两电极交错重叠部分的面积决定电容量。

固定电极5的中心柱6与外壳间有绝缘支架7，可动电极4则与外壳连通。

压力引起的极间电容变化由6引至电子线路、变为直流信号420mA输出。

电子线路与上述可变电容安装在同一外壳中，整体小巧紧凑。

第4章电容式传感器这种变送器可利用软导线悬挂在被测介质中，如左图。

亦可用螺纹或法兰安装在容器壁上，如右图。

第4章电容式传感器测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。

九、电容式料位传感器当罐内放入被测物料时，由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。

检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。

物料可以是液体，也可以是固体。

若物料导电的话，罐壁和测定电极要做绝缘处理。

第4章电容式传感器传感器的静电电容可由下式表示：

式中：

k比例常数；

s被测物料的相对介电常数；

0空气的相对介电常数；

D储罐的内径；

d测定电极的直径；

h被测物料的高度。

假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C0，放入物料后传感器静电电容为C1，则两者电容差为C=C1-C0两介电常数差别越大，极径D与d相差愈小，传感器灵敏度就愈高。

第4章电容式传感器十、高分子电容式湿度传感器高分子薄膜式湿敏元件（变介电常数型电容传感器）应用的是平板电容器原理，在绝缘基片上依次形成下电极、感湿膜、上电极。

感湿膜是聚酰亚胺高分子聚合物，它吸收环境中的水分（也可释放），使其介电常数发生变化，从而引起电容量变化，达到