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1、第3章电容第1页,本讲稿共31页测量原理:将被测量的变化转换成电容量变化测量原理:将被测量的变化转换成电容量变化Sd 用两块金属平板作电极可构成简单的电容器,当忽略边缘效应时,其电容C为0 0 真空介电常数真空介电常数r r 相对介电常数相对介电常数3-1 3-1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理S S 极板相对覆盖面积极板相对覆盖面积d d 两极板间距离两极板间距离极板间介质的介电常数极板间介质的介电常数2第2页,本讲稿共31页哪几个参量是变量?可以做成哪几种类型的电容传感器?哪几个参量是变量?可以做成哪几种类型的电容传感器?改变改变S S、d d、三个参量中的任意一个量,均可使
2、平板电容的电容三个参量中的任意一个量,均可使平板电容的电容量量C C 改变。改变。保持三个参量中的两个不变,改变另一个参数,可以做成三保持三个参量中的两个不变,改变另一个参数,可以做成三种类型的电容传感器。种类型的电容传感器。一、变面积(一、变面积(S S)型)型二、变介质介电常数(二、变介质介电常数()型)型三、变极板间距(三、变极板间距(d d)型)型3第3页,本讲稿共31页一、变面积(S)型电容式传感器角位移式电容传感器电容电容C与角位移与角位移成线性关系成线性关系当动极板有角位移当动极板有角位移时,两极板,两极板间覆盖面覆盖面积S改改变,从而改,从而改变了了电容量容量。4第4页,本讲稿
3、共31页直线位移式电容传感器1定极板 2动极板当动极板移动距离x时,面积S变化,电容量C也变化其灵敏度为C与位移x成线性关系5第5页,本讲稿共31页柱面线位移式电容传感器1定极板 2动极板可见,电容C与位移x也成线性关系。6第6页,本讲稿共31页 变面积型电容传感器中,直线位移式结构对极距变化特别敏感,测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小,成为实际中最常采用的结构。变面积式电容传感器的特性 变面积式电容传感器的输出特性是线性的,灵敏变面积式电容传感器的输出特性是线性的,灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参
4、量。移、尺寸等参量。7第7页,本讲稿共31页当介质的介电常数的变化当介质的介电常数的变化时,电容量的变化量为时,电容量的变化量为 二、变介质介电常数(二、变介质介电常数()型)型 变变介介电电常常数数型型电电容容式式传传感感器器大大多多用用来来测测量量电电介介质质的的厚厚度度、液液位位,还还可可根根据据极极间间介介质质的的介介电电常常数数随随温温度度、湿湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。8第8页,本讲稿共31页几种介质的相对介电常数可用来测量粮食、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根据
5、上表,在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时,哪一种情况下的电容量大?可以用于测量什么非电量?9第9页,本讲稿共31页若忽略边缘效应,传感器总的电容量与被测液位(不导电液体)的关系为:C1CC2可可见见,传传感感器器电电容容量量C与与被被测测液液位位高高度度h1成线性关系。成线性关系。圆筒式电容液位传感器h2r2Rh110第10页,本讲稿共31页C1C2C 忽略边缘效应,极板间两种介质厚度分别为d1和d2,传感器的电容量等于两个电容的串联 另一种变另一种变电容传感器电容传感器d1d2l若若待测体介电常数待测体介电常数1 1可变,介质厚度不变,可测量介电常数;可变,介质厚度不变,可测量介电常数;
6、l若介质厚度若介质厚度d d1 1可变,介电常数不变,则可测量厚度。可变,介电常数不变,则可测量厚度。11第11页,本讲稿共31页 当当可可动动极极板板随随被被测测量量变变化化而而移移动动时时,使使两两极极板板间间距距变变化化,从从而而使使电电容容量量产产生生变变化化,当当d0减减小小d时时,其其电电容容变变化化量量C为为C0极距为极距为d0时的初始电容量。时的初始电容量。三、变极板间距(d)型定极板动极板C-d 特性曲线12第12页,本讲稿共31页当当d UUF F,输出高电平,输出高电平U UT TU=U=Ur r时,时,A1A1翻转,翻转,R=0R=0则则Q=0,Q=1,C1Q=0,Q=
7、1,C1放电放电UFUF,C2C2充电充电UG UG U UG G=U=Ur r时,时,A2A2翻转,翻转,S=0S=0则则Q=1,Q=0,C1Q=1,Q=0,C1充电充电UFUF,C2C2放电放电UG UG 设初始设初始Q=1,Q=0Q=1,Q=019第19页,本讲稿共31页差动脉冲调宽电路各点电压波形图20第20页,本讲稿共31页uAB经低通滤波后,就可得到输出直流电压U0,即A、B间的平均电压为 式中式中UA、UBA点和点和B点的矩形脉冲的直流分量;点的矩形脉冲的直流分量;T1、T2 分别为分别为C1和和C2的充电时间;的充电时间;U1触发器输出的高电位。触发器输出的高电位。C1、C2的
8、充电时间的充电时间式中式中 Ur触发器的参考电压触发器的参考电压 设设R1=R2=R,Uo=?21第21页,本讲稿共31页设R1=R2=R,则得 结论结论结论结论:输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 设电容设电容C1和和C2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为d1、d2和和S1、S2 差动变极距型差动变极距型差动变面积型差动变面积型 特性:差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感特性:差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感特性:差动脉冲调宽电路能适用于任何差动
9、式电容式传感特性:差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器并具有理论上的线性特性器并具有理论上的线性特性器并具有理论上的线性特性器并具有理论上的线性特性 22第22页,本讲稿共31页优优 点:点:采用直流电源,其电压稳定度高采用直流电源,其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也不高 23第23页,本讲稿共31页中心感压膜片(可动)弧形电极高压隔离膜片高压侧导压口电极引线
10、硅油3-3 3-3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用P=0时时 CH=CLP0时时 中中心心感感压压膜膜片片产产生生位位移移,从从而而使使中中心心膜膜片片与与两两侧侧弧弧形形电电极极之之间间的的间间距距发发生生改改变变,致致使使两两电电容容值值变化变化。一、电容式差压变送器24第24页,本讲稿共31页测量导电液体的液位:导线芯以绝缘层为介质与周围的导电液体形成圆柱型电容器,当被测液体的液面上升时,引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。二、电容式液位计d1d2hx导线芯绝缘层绝缘层的介电常数绝缘层的介电常数25第25页,本讲稿共31页电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器智能化液位传感器的
11、设定方法:用手指压住设定按钮,当液位达到设定值时,放开按钮,智能仪器就记住该设定。正常使用时,当水位高于该点后,即可发出报警信号和控制信号。液位限位传感器与液位变送器的区别在于:它不给出模拟量,而是给出开关量。当液位到达设定值时,它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。设定按钮26第26页,本讲稿共31页 利用微电子加工技术,可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上,制造出三个多晶硅电极,组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上,所以相当于悬臂梁。三、电容加速度传感器1 1加速度测试单元加速度测试单元2
12、2信号处理电路信号处理电路3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅(下电极)底层多晶硅(下电极)5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅(上电极)顶层多晶硅(上电极)27第27页,本讲稿共31页 当它感受到上下振动时,当它感受到上下振动时,C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路封装在同一壳体中的信号处理电路将将C 转换成直流输出电压。它的激转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内,所以集成励源也做在同一壳体内,所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小,度很高。由于硅的弹性滞后很小,且悬臂梁的质量很轻,所以频率响且悬臂梁的质量很轻,所以
13、频率响应可达应可达1kHz以上,允许加速度范围以上,允许加速度范围可达可达10g 以上。以上。如果在壳体内的三个相互垂直如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器,就可方向安装三个加速度传感器,就可以测量三维方向的振动或加速度。以测量三维方向的振动或加速度。1 1加速度测试单元加速度测试单元2 2信号处理电路信号处理电路3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅(下电极)底层多晶硅(下电极)5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅(上电极)顶层多晶硅(上电极)28第28页,本讲稿共31页加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上,可以作为碰撞传感器。正常刹加速度传感器安装在轿车
14、上,可以作为碰撞传感器。正常刹车或轻微碰撞时,输出信号较小。当测得的负加速度值超过设定车或轻微碰撞时,输出信号较小。当测得的负加速度值超过设定值时,值时,微处理器微处理器据此判断发生了碰撞,就启动轿车前部的折叠式安据此判断发生了碰撞,就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀,托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。全气囊迅速充气而膨胀,托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。假人气囊29第29页,本讲稿共31页四、湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质,在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大的介质,在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大
15、时,吸湿性介质吸收空气中的水蒸气,使两块电极之间时,吸湿性介质吸收空气中的水蒸气,使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加(水的相对介电常数为的介质相对介电常数大为增加(水的相对介电常数为8080),所以电容量增大。),所以电容量增大。30第30页,本讲稿共31页3-1 3-1 电容传感器分哪几类?其中从原理上哪类属于非线性电容传感器分哪几类?其中从原理上哪类属于非线性传感器?传感器?3-2 3-2 如图平板电容位移传感器,已知极板尺寸如图平板电容位移传感器,已知极板尺寸a=b=4mma=b=4mm,间距间距d d0 0=0.5mm=0.5mm,极板间介质为空气,极板间介质为空气(0=8.8510-12F/m,r1)。求该传感器的静态灵敏度;若极板沿。求该传感器的静态灵敏度;若极板沿x x方向移动方向移动2mm2mm,求此时电容量。,求此时电容量。习题与思考题abxd031第31页,本讲稿共31页
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