1、傳感器原理和應用，第5章靜電容量式傳感器，主要內容： 5.1靜電容量式傳感器的工作原理和類型5.2靜電容量式傳感器的輸出特性5.3靜電容量式傳感器的應用例，傳感器原理和應用，第5章靜電容量式傳感器，概要，傳感器原理和應用，第5章靜電容量式傳感器，各種靜電容量式傳感器，概要傳感器的原理第五章電容傳感器、電容傳感器的典型應用、概要、傳感器的原理和應用，第五章電容傳感器、傳統(tǒng)電容傳感器主要用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量。 目前已應用于壓力、差壓、液面、成分含量等的測定。 靜電容量式傳感器的特征是，電容器電容小，為數(shù)百微法，具有高輸出阻抗，靜電引力小(極板間)，工作所需的力小，可動質量

2、小，具有高固有頻率，動態(tài)響應特性好，電力小，可以進行自身發(fā)熱影響小的非接觸測量。 5.1靜電電容傳感器的工作原理和類型、傳感器原理和應用、第5章靜電電容傳感器、靜電電容傳感器使測量的非電量變化為靜電電容的變化，靜電電容傳感器的工作原理可以用平板電容來說明：變化式中的s極板面積、變化面積型傳感器極板距離、變化極距型傳感器介電常數(shù)， 變化介電型傳感器真空介電常數(shù)相對介電常數(shù)無介質時空空氣介質r=1， 5.1電容傳感器的工作原理和類型，傳感器原理和應用，第5章電容傳感器，變極距離型傳感器，5.1電容傳感器的工作原理和類型，傳感器原理和應用，第5章電容傳感器，變面積型傳感器，5.1電容傳感器的工作原理

3、和類型，傳感器原理和應用，第5章電容傳感器5.2靜電電容傳感器輸出特性1變極距離型()，傳感器原理和應用，第5章靜電電容傳感器，初始電容，減少時電容c增加，傳感器原理和應用，第5章靜電電容傳感器，那時，以泰勒級數(shù)展開，電容相對變化，5.2靜電電容傳感器輸出特性1變極距離型()，無視高次項， 傳感器靈敏度5.2靜電電容傳感器輸出特性1變極距離型()傳感器原理和應用，第5章為了提高靜電電容傳感器、傳感器靈敏度k，必須縮小初始極距離，但是研究初始極距離受電容破壞電壓限制的非線性隨著相對位移的增加而增加， 為了保證線性，必須限制相對位移的起始極間距與靈敏度相矛盾，可變極間距型靜電電容傳感器為了提高適合

4、測量小位移的靈敏度和改善非線性，一般采用差動結構。 5.2靜電電容傳感器輸出特性1變極距離型()、傳感器原理和應用、5章靜電電容傳感器、差動構造的靜電電容特性方程式，C1增加、C2減少、C1=C2、靜電電容的總變化量、5.2靜電電容傳感器輸出特性1變極距離型()、傳感器原理和應用、5章靜電電容傳感器、靜電電容相對變化量、 電容特性方程忽略高階項：傳感器(差動式)靈敏度、相對非線性誤差，結論：差動式電容傳感器比單個電容靈敏度減少了2倍的非線性誤差。 5.2靜電電容傳感器輸出特性2變面積型(s )，傳感器原理和應用，第5章靜電電容傳感器，平板電容：可動極板x移動時的兩極板間電容為：初始電容：電容的

5、相對變化量：平板變面積型靜電電容傳感器靈敏度，結論：變面積型靜電電容傳感器靈敏度k為常數(shù)輸出特性，用于大的位移測定5.2電容傳感器的輸出特性3變介電常數(shù)式()，傳感器原理和應用，5章電容傳感器，某介質在兩固定極板之間移動時，電容和介質參數(shù)的關系是：電容傳感器，測量介電常數(shù)(糧食倉庫，木材濕度)介質的厚度d (紙，薄膜的厚度) 測量時5.2靜電電容傳感器輸出特性3可變介電常數(shù)式()傳感器原理和應用，第5章靜電電容傳感器，d是介質的厚度，d、s不變，可以作為介電常數(shù)的測定器。 介電常數(shù)不變，與s一定，使介質的厚度d變化，可以作為厚度測定器。 5.2靜電電容傳感器的輸出特性3變介電常數(shù)式()、傳感器

6、原理和應用、第五章靜電電容傳感器、液位高度測量(根據(jù)液體容器的形狀計算)、第五.3測量電路1 .靜電電容傳感器的等效電路、傳感器原理和應用、第五章靜電電容傳感器、靜電電容傳感器的電容值的變化都很微小，無法直接顯示記錄靜電電容傳感器等效電路包括：傳輸線路的電感L0、包含電阻r (小)的極板等效漏電電阻Rg； 傳感器電容器C0； 在a、b的兩端分布電容Cp，Cp總是大于C0。 低頻時Xc大，l、r可以忽略，高頻時Xc小，l、r不能忽略，工作頻率10MHz以上考慮到電纜電感l(wèi)的影響，相當于l、c的串聯(lián)，有一個諧振頻率f0，f=f0時，串聯(lián)諧振阻抗最小。 5.3測量電路1 .靜電電容傳感器的等效電路、

7、傳感器原理和應用，第5章靜電電容傳感器用金屬屏蔽電容轉換元件，消除靜電場和交變磁場的前級與開關元件直接或設置在同一框體內，避免信號的長距離傳輸?shù)尿寗与娎|技術、驅動電纜技術連接電纜采用雙重屏蔽，內部屏蔽和屏蔽的導線電位相同。 (從動件)使傳輸電纜和內屏蔽層為同電位，屏蔽線具有根據(jù)傳感器信號而變化的電壓，所以為了消除芯線對內層屏蔽層的電容性漏電造成的影響，稱為(驅動電纜)。 內外屏蔽之間的容量為放大器負載。 該方法在10M的距離下不影響傳感器性能，保證電容器1pF也正常工作。 提高電容傳感器的穩(wěn)定性。 5.3測量電路2 .橋電路、傳感器原理和應用，第5章由靜電電容式傳感器、電容轉換元件構成的變壓器

8、式交流橋測量系統(tǒng)。 在單臂的情況下，連接在傳感器c的相鄰臂上的固定電容C0一致的差動形式傳感器中，兩個臂交流橋的輸出電壓為：代入：5.3測量電路2 .橋電路，傳感器原理和應用，第5章靜電電容式傳感器，輸出電壓和輸入位移處于理想的線性關系， 極板位于中間位置時，一片移動電容就會變化，5.3測量電路2 .橋電路、傳感器原理和應用，5章靜電電容式傳感器、交流橋的多種形式，5.3測量電路3 .二極管雙t型電路，傳感器原理和應用，第5章靜電電容式傳感器，VE是高頻對稱方波電源，d 一個周期內的RL上的平均電壓：一個周期內的負載RL上的輸出電壓URL與電源電壓VE的振幅、頻率f有關.與電容之差(C1-C2

9、 )成比例. 5.3測量電路3 .二極管雙t型電路，傳感器原理和應用，第5章靜電電容式傳感器，雙t型電路工作原理分析正半周d If=I1 I2，If=I1 I2 C1=C2時，If=If，5.3測量電路4差動脈沖寬度調整電路，傳感器原理和應用，第5章靜電電容式傳感器，電路圖，電路結構： A1、A2比較器； FF觸發(fā)器VD1、VD2和電阻構成充放電電路，Uf基準直流電壓雙穩(wěn)定地輸出的電容Cx1、Cx2是傳感器差動電容。電路解析：電源接通時a高b低，R1對C1的充電c點上升到Uf，比較器A1的輸出極性變化，觸發(fā)器反轉了的a低，b高，D1通道C1放電的同時b點通過C2充電使A2反轉。 傳感器原理和應

10、用，第5章靜電電容式傳感器，5.3測量電路4的差動脈沖寬度調整電路，波形圖，C1=C2，UC，UD放電時間相同，輸出平均電壓U0=0； 輸出C1C2、平均電壓U00，在C1C2的情況下，輸出a、b的兩點的平均值等于UA、UB的差。 雙穩(wěn)定的兩個輸出端分別產生調制脈沖，且脈沖寬度由C1、C2調制。 輸出為兩端之差，低通輸出，傳感器原理和應用，第5章靜電容量式傳感器，第5章靜電容量式傳感器，第5章靜電容量式傳感器，第R1=R2，可變面積型，可變極間距型，輸出電壓，第5.3測量電路5運算放大器式電路，傳感器原理和應用Cx傳感器電容對于輸出端、單極板平板電容器的傳感器輸出，輸出電壓U0和機械位移x (

11、)呈線性關系，解決了單電容的非線性關系。 5.3測量電路6的頻率調制電路、傳感器原理和應用，第5章靜電電容式傳感器、諧振曲線、頻率調制測量電路把靜電電容式傳感器作為振蕩器的諧振電路的一部分，輸入被測量信號來變化電容，振蕩器的振蕩頻率就會變化。 因為系統(tǒng)是非線性的，所以為了將頻率的變化轉換成電壓變化，必須施加定界符。 5.4電容式傳感器的應用例1 .電容式液位計，傳感器原理和應用，第5章電容式傳感器，水泥，化學工業(yè)，罐等的傳感器電容：電容測量深度，角度動畫演示，檢測電極是電容的一個極，罐的殼體是電容的另一個極。 第一項是靜電電容C0 :5.4靜電電容式傳感器的應用例2靜電電容式壓力傳感器，傳感器

12、原理和應用，第五章靜電電容式傳感器，結構： (金屬彈性隔膜)片在兩個玻璃球面上鍍有金屬制的接頭的隔膜的左右兩側充滿了硅油。 工作過程：當兩室分別受到低壓(PL )和高壓(PH )時，硅油可將差壓傳遞給測量隔膜，PH=PL時，隔膜位于中間位置，C1=C2； 有差壓作用時，隔膜產生變形：測定PH PL時，隔膜PL彎曲，C1C2； 通過電路將這種電容變化轉換成電壓變化，5.4電容式傳感器的應用例2 .電容式壓力傳感器，傳感器原理和應用，第5章電容式傳感器，電容式傳感器外殼的隔膜結構，工業(yè)生產過程的自動控制中隔膜式壓力計是常用的一種，電容式壓力計絕對壓力計以絕對真空為基準測量蒸發(fā)罐、反應罐的壓力。壓力

13、傳感器/變送器的基礎知識，另一方面，壓力的基本概念1，壓力和壓力： 2，壓力和壓力單位：壓力：帕斯卡(Pa )，壓力：牛頓(n )。 3 .區(qū)分客戶所說的壓力和壓力。 4、單位換算：1bar=1.0105 pa=100 kpa=14.7 psi=0.1 MPa=760 mmhg=10mm H2O 1ps I=6.89 kpa，1kg壓力=0.98105Pa=1力/cm2inch2h2o=250pa，壓力傳感器3、測量差壓(Differential，d )、兩端的壓力差。 4、密封表壓力(Vent Guage，VG )以標準大氣壓為基準。壓力傳感器/變送器、壓力芯體、壓力檢測元件1、表貼封裝(測

14、試氣壓) 2、雙列直插封裝(測試氣壓) 3、TO-8封裝(測試氣壓)、壓力傳感器/變送器，主要應用例：宇宙航空軍工的情況下，例如風洞壓力低溫壓力測試壓力芯體、壓力檢測元件4、不銹鋼封裝(測試油壓和氣壓)、5.4靜電電容式傳感器的應用例3靜電電容式板材在線厚度計、傳感器原理和應用、第5章靜電電容式傳感器、靜電電容式厚度計測量金屬帶在軋制過程中的厚度變化。 條形材料是電容器的可動極板，總電容器C1 C2成為橋臂。 只是條材上下變動，Cx=C1 C2的總容量不變化的條材的厚度的變化使電容器Cx變化。 變壓器式輸出橋。 或者，采用運算電路的輸出，5.4靜電電容式傳感器的應用例4靜電電容式位移，傳感器原

15、理和應用，5章靜電電容式傳感器，5.4靜電電容式傳感器的應用例5 .力平衡式加速度傳感器，傳感器原理和應用，5章靜電電容式傳感器，力平衡式傳感器系統(tǒng)，測量出的東西是力和扭矩目前主要應用于超低頻率低加速度測量，是慣性導航系統(tǒng)不可缺少的要素。 在導彈慣性系平臺上，沿著3個坐標設置3個力平衡系式加速度傳感器，測量各軸向加速度。 用積分器計算機求出三個軸方向的速度和位移，確定運動物體在空間中的坐標位置，提供各種反饋控制信號。 因為加速度是物體不依賴于外部參照物的唯一運動參數(shù)。 5.4靜電電容式傳感器的應用例5 .力平衡式加速度傳感器，傳感器原理和應用，第5章靜電電容式傳感器，力平衡式加速度傳感器構造： m慣性元件，放大器，C1，C2位移傳感器，磁矩器，靜電電容片被固定在質量的快速上。 扭矩器的反饋力、慣性力、-扭矩器的機電耦合系數(shù)、工作原理：殼體加速度、反饋力F=Fx (慣性力)時，位移Y=0。 5.4電容式傳感器的應用例5 .力平衡式加速度傳感器，傳感器原理和應用，第五章電容式傳感器，慣性系是典型的二次機械系，固有頻率和衰減比取決于慣性元件的衰減系數(shù)b和彈性系數(shù)c，慣性元件的傳遞函數(shù)為：5.4電容式傳感器的應用例6 .智能型電容式傳感器， 傳感器原理和應用第5章靜電電容式傳感器、智能型靜電電容式傳感器的電路構成、兼容協(xié)議、硅靜電電容式集成傳感器由壓力檢測型電容器、轉