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1、电容式传感器的特点如下:(1)小功率、高阻抗,本身发热影响小。电容式传感器电容量很小,一般为几十到几百微法,因此具有高阻抗输出。(2)小的静电引力和良好的动态特性。电容式传感器极板间的静电引力很小,工作时需要的作用能量极小和它有很小的可动质量,因而有较高的固有频率和良好的动态响应特性。(3)可进行非接触测量。(4)结构简单,灵敏度高,分辨率高。【知识要求知识要求】1.了解电容式传感器的结构及工作原理。2.掌握电容式传感器的功能及工作特点。3.掌握电容式传感器的测量方法。4.了解电容式传感器的发展方向与应用。【能力要求能力要求】1.正确地识别各种电容式传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。2
2、.在设计中,能够根据工作系统的特点,找出匹配的电容式传感器。3.能够准确地判断出传感器的好坏,熟练掌握电容式传感器的测量方法。4.能够设计一个简单的测量电路。(一)电容式传感器的工(一)电容式传感器的工作原理及分类作原理及分类电容式传感器是一种以可变参数的电容器作为传感元件,通过电容传感元件,将被测物理量的变化转换为电容量的变化。多数场合下,电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质,因此电容式传感器的基本工作原理可以用如图所示的平板电容器来说明。当忽略边缘效应时,平板电容器的电容量为平板电容器式中S极板面积;d极板间距离;r相对介电常数;0真空介电常数0=8.851012(Fm1);电容极板
3、介质的介电常数。当被测物理量使得式中d、S和r中的某一项或某几项有变化时,就改变了电容C。电容C变化的大小与被测参数的大小成比例,在交流工作时,就改变了容抗XC,从而使输出电压或电流发生变化,这就是电容式传感器的工作原理。1变间隙电容式传感器如下图所示是变间隙电容式传感器的结构原理图。图中1是与被测体相连的动极板,2是固定极板(一般称为定极板)。当极板1因被测参数改变而引起移动时,就改变了两极板间的距离d,从而改变了两极板间的电容C。从上式可知,电容C与极板间距d不是线性关系,其关系曲线如图下图所示。变间隙电容式传感器原理图1动极板;2定极板Cd关系曲线极板面积为S,初始距离为d0,以空气为介
4、质(r=1)的电容器的电容值为当间隙d0减小d时(设dd0,),则电容增加C,即由上式得,电容的相对变化量C/C0为因为d/d01,按泰勒级数展开得由式上可见,输出电容的相对变化C/C0与输入位移d之间的关系是非线性的,当d/d0C2,则C1和C2充放电时间常数就发生改变。这时电路中各点的电压波形如图(b)所示。由图可见,AB两点平均电压值不再是零。脉冲宽度调制电路电压波形图当矩形电压波通过低通滤波器后,可得出直流分量当差动电容C1C2时由此可见,对于差动脉冲调宽电路,不论是改变平板电容器的极板面积还是极板距离,其变化量与输出量都成线性关系。调宽线路还具有如下一些特点:对元件无线性要求;效率高
5、,信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出;调宽频率的变化对输出无影响;由于低通滤波器作用,对输出矩形波纯度要求不高。(一)实施要求(一)实施要求(1)通过本项目的实施,在掌握电容式传感器的基本结构和工作原理的基础上掌握电容式传感器的器件识别、故障判断、测量方法和实际应用。(2)该项目需要电容式传感器实训台或相关设备、导线若干、相关的仪表、万用表、示波器。(3)通过项目实施掌握电容式传感器的测量方法,使用要求。(二)实施步骤(二)实施步骤(1)找出电容式传感器在电路中的位置,并判断是什么类型的传感器。(2)分析测量电路的工作原理,观察电容式传感器工作过程中的现象。(3)找出各个单元电路,记录其
6、电路组成形式。(4)按照原理图用导线将电路连接好,检查确认无误后,启动电源。(5)观察各单元电路的工作情况,记录其在工作过程中不同状态下的数据。(一)电容式传感器的应用(一)电容式传感器的应用1膜片电极式压力传感器结构原理如图所示,由一个固定电极和一个膜片电极形成距离为d0、极板有效面积为a2、改变极板间平均间隙的平板电容变换器组成,在忽略边缘效应时,初始电容值膜片电极式压力传感器2电容式加速度传感器测量振动使用加速度及角加速度传感器,一般采用惯性式传感器测量绝对加速度。在这种传感器中可应用电容式传感器。一种差接电容式加速度传感器的原理结构示意图如图所示。这里有两个固定极板,极板中间有一用弹簧
7、支撑的质量块,此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上的直线加速度时,质量块在绝对空间中相对静止,而两个固定电极将相对质量块产生位移,此位移大小正比于被测加速度,使C1、C2中一个增大,一个减小。电容式加速度传感器的原理结构图3电容式应变计原理结构图如图所示,在被测量的两个固定点上,装两个薄而低的拱弧,方形电极固定在弧的中央,两个拱弧的曲率略有差别。安装时注意两个极板应保持平行并平行于安装应变计的平面,这种拱弧具有一定的放大作用,当两固定点受压缩时变换电容值将减小(极间距增大)。很明显,电容极板相互距离的改变量与应变之间并非是线性关系,这可抵消一部分变换电容本身的非
8、线性。电容式应变计原理结构图4荷重传感器下图中电容式荷重传感器原理结构图原理结构如图所示。用一块特种钢(其浇铸性好,弹性极限高)在同一高度上并排平行打圆孔,在孔的内壁以特殊的黏合剂固定两个截面为T型的绝缘体,保持其平行并留有一定间隙,在相对面上黏贴铜箔,从而形成一排平板电容。当圆孔受荷重变形时,电容值将改变,在电路上各电容并联,因此总电容增量将正比于被测平均荷重。这种传感器误差较小,接触面影响小,测量电路可装置在孔中。电容式荷重传感器原理结构图5振动、位移测量仪DWY3型振动、位移测量仪是一种电容、调频原理的非接触式测量仪器,它即是测振仪,又是电子测微仪。主要用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往
9、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、工件尺寸和平直度以及用于某些特殊测量等。作为一种通用性的精密测试仪器得到广泛应用。在测量时,首先调整好传感器与被测工件间的原始间隙d0,当轴旋转时因轴承间隙等原因使转轴产生径向位移和振动d,相应地产生一个电容变化C,DWY3型振动、位移测量仪可以直接指示出d的大小,配有记录和图形显示仪器时,可将d的大小记录下来并在图像上显示其变化的情况。它的传感器是一片金属片,作为固定极板。而以被测构件为动极板组成电容器,测量原理如图下所示。测量旋转轴的回转精度和振摆示意图6电容测厚仪电容测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的。它的变换器就是电容
10、式厚度传感器,其工作原理如图所示。在被测带材的上、下两边各置一块面积相等且与带材距离相同的极板,这样极板与带材就形成两个电容器(带材也作为一个极板)。把两块极板用导线连接起来,就成为一个极板,而带材则是电容器的另一极板,其总电容C=C1+C2。电容测厚仪工作原理(一)(一)电容式传感器的位移特性实验电容式传感器的位移特性实验1.实验目的了解电容式传感器的结构及特点。2.实验仪器电容式传感器、电容式传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套。3.实验原理电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器,它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理可得式中
11、,S为极板面积,d为极板间距离,0为真空介电常数,r为介质相对介电常数,由此可以看出当被测物理量使S、d或r发生变化时,电容量C随之发生改变,如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数,就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容式传感器可以分为三种类型,即改变极间距离的变间隙式、改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。这里采用变面积式,如图所示两只平板电容器共享一个下极板,当下极板随被测物体移动时,两只电容器上下两极板的有效面积一只增大,一只减小,将三个极板用导线引出,形成差动电容输出。平板电容器实验4.实验内容与步骤(1)按图所示将电容式传感器安装在电容式传感器模块上,
12、将传感器引线插入实验模块插座中。电容式传感器实训台(2)将电容式传感器模块的输出Uo接到数显直流电压表上。(3)接入15 V电源,合上主控台电源开关,将电容式传感器调至中间位置,调节RW,使得数显直流电压表显示为0(选择2 V挡)。(4)旋动测微头推进电容式传感器的共享极板(下极板),每隔0.2 mm记下位移量X与输出电压值V的变化,填入表中。实验结果实验结果5.实验报告根据表的数据计算电容式传感器的系统灵敏度K和非线性误差f。(二)电容式传感器动态特性实验(二)电容式传感器动态特性实验1.实验目的了解电容式传感器的动态性能的测量原理与方法。2.实验仪器电容式传感器、电容式传感器模块、相敏检波
13、模块、振荡器频率/转速表、直流稳压电源、振动源、通信接口(含上位机软件)。3.实验原理与电容式传感器位移特性实验原理相同。(1)传感器的安装如图所示,传感器引线接入传感器模块,输出端Uo接相敏检波模块低通滤波器的输入端Ui,低通滤波器输出端Uo接通信接口CH1。调节RW到最大位置(顺时针旋到底),通过“紧定旋钮”使电容式传感器的动极板处于中间位置,Uo输出为0。震动测量实验(2)主控台振荡器“低频输出”接到振动台的“激励源”,振动频率选“515 Hz”,振动幅度初始调到零。(3)将主控台15 V的电源接入实验模块,检查接线无误后,打开主控台总电源,调节振动源激励信号的幅度,用通信接口CH1观察实验模块输出波形。(4)保持振荡器“低频输出”的幅度旋钮不变,改变振动频率(用数显频率计监测),从上位机测出Uo输出的峰峰值。保持频率不变,改变振荡器“低频输出”的幅度,测量Uo输出的峰峰值。5.实验报告根据实验结果分析差动电容式传感器测量振动的波形。
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