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1、第3章电容传感器(2)第1页，本讲稿共18页电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构电容量电容量C=Ad 介电常数介电常数A 两极板间的正对面积两极板间的正对面积d 两极板间距离两极板间距离若上述三个参数中仅改变其中一个，其余的不变，就若上述三个参数中仅改变其中一个，其余的不变，就可以把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量可以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。电路就可转换为电量输出。第2页，本讲稿共18页变极距型变极距型变面积型变面积型变介质型变介质型如：如：a、e图图如：如：b、c、d、f、g、h图图如：如：i、j、k、l 图图第3页，本讲
2、稿共18页变极距型电容传感器变极距型电容传感器Arh若电容器极板间距离由初若电容器极板间距离由初始值始值 d0 缩小了缩小了d，则电，则电容量增大了容量增大了C。dC=C0+C0d0第4页，本讲稿共18页变面积型电容传感器变面积型电容传感器通过动极板移动引起两极板间的正对面积发生通过动极板移动引起两极板间的正对面积发生变化，从而得到电容量的变化。变化，从而得到电容量的变化。电容变化量为：电容变化量为：dC=CC00rb X0rbadC0=式中式中为初始电容，电容的变化量为为初始电容，电容的变化量为平板电容式传感器平板电容式传感器CC0Xa=第5页，本讲稿共18页角位移式电容传感器角位移式电容传
3、感器定极板定极板动极板动极板当极板有一个角位移当极板有一个角位移时，与时，与定极板间的正对面积发生变化，定极板间的正对面积发生变化，从而改变两极板间的电容量。从而改变两极板间的电容量。C=C0C0传感器的电容量与角位移呈线性关系传感器的电容量与角位移呈线性关系第6页，本讲稿共18页变介质型电容传感器变介质型电容传感器dDhH1测量液位测量液位高低、介电常数高低、介电常数变换器的电容增量正比于被测液位的高度变换器的电容增量正比于被测液位的高度h2h（1）C=C0+lndD第7页，本讲稿共18页L0Ld0r1r2当被测介质进入极板间当被测介质进入极板间 L 深度后，引起电容相对深度后，引起电容相对
4、变化量为变化量为CC0CC0C0=（r21）LL0用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。第8页，本讲稿共18页电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路调频电路调频电路把电容式传感器作为振荡器调谐回路的一部分，当把电容式传感器作为振荡器调谐回路的一部分，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。就发生变化。f振荡器振荡器限幅限幅放大器放大器鉴频器鉴频器ufuCXL电容变换器电容变换器将频率变化
5、转化为将频率变化转化为电压振幅的变化电压振幅的变化第9页，本讲稿共18页电路的特点：电路的特点：具有较高的灵敏度，可测量高至具有较高的灵敏度，可测量高至0.01m级位移的变化级位移的变化量，输出频率易于用数字仪器测量，抗干扰能力强，量，输出频率易于用数字仪器测量，抗干扰能力强，可发送、接收，以达到遥控的目的。可发送、接收，以达到遥控的目的。运算放大器式电路运算放大器式电路CCXUiU0第10页，本讲稿共18页脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路双稳态双稳态触发器触发器A1A2uABVD2UrVD1QR1R2ABQCX1CX2第11页，本讲稿共18页uA0tuB0t0tuABuF0tuG0tT1T2
6、CX1CX2=A、B 两点两点间的平均电间的平均电压为压为0第12页，本讲稿共18页uA0tuB0t0tuABuF0tuG0tT1T2ururA、B 两点两点间的平均电间的平均电压不为压不为0CX1CX2且且CX1CX2当当第13页，本讲稿共18页由此可见：由此可见：差动脉宽调制电路适用变极板距离以及变面积差动差动脉宽调制电路适用变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。变化对输出没有影响。dU0U1d=1、结构、原理
7、、结构、原理小结：小结：2、测量电路、测量电路作业：作业：1、4、6AU0U1A=输出电压为输出电压为第14页，本讲稿共18页电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容式压力传感器电容式压力传感器当被测压力或压力差作用于膜片当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容的变化经测量电路减小。该电容的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。电流或电压的变化。第15页，本讲稿共18页电容式加速度传感器电容式加速度传感器当传感器壳体随被测对象沿垂直当
8、传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，生变化，一个增加，一个减小，从而使从而使C1、C2产生大小相等、产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。于被测加速度。第16页，本讲稿共18页差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带
9、材距离相等在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。第17页，本讲稿共18页音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容桥的另外两桥臂由标准电容C0。和带材与极板形成的。和带材与极板形成的被测电容被测电容Cx(Cx=C1+C2)组成。电桥的输出电压经组成。电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指示出带材厚度的变化。用指示电表指示出带材厚度的变化。第18页，本讲稿共18页