第4章电容式传感器.ppt
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1、第4章 电容式传感器,优点,结构简单 分辨力高 动态检测 工作条件恶劣 非接触测量,应用,压力、力 位移 振动 液位、料位 介质的湿度、密度 物质成分等,第一节 基本工作原理、结构及特点,平行板电容器,C - 电容量(F); A - 两极板相互覆盖面积(m2); d - 两极板间距离(m) ; - 两极板间介质介电常数(F/m)。,分类,变极(间)距型,变面积型,变介电常数型,介质的相对介电常数,0- 真空的介电常数, 0 8.854 1012 (F/m)。,常见介质的相对介电常数,一、变极距型电容传感器,当 时,,C=f(d)特性曲线,略去其高次项,得到近似线性关系式:,灵敏度为 :,如果考
2、虑线性项和二次项,,相对非线性误差为:,变极距型电容传感器的非线特性,在两极板间加一层云母或塑料膜:,具有固体介质的变间隙式电容传感器,A,d,差动式结构,当动极板向上位移为d时,,d1 d0-d,d2 d0+ d,电容总的变化 :,灵敏度为 :,只考虑线性项和三次项,则相对非线性误差为:,差动式电容传感器的Cd/d0曲线,电容式差压变换器结构,(用于测量呼吸的流量大小和呼吸气流极性等参数),二、变面积型电容传感器,1、直线位移式,当动极板向右(或向左)平移x时,,2、角位移式,当初始位置 = 0时,,当 0时,灵敏度K ,三、变介电常数型电容传感器,(1)柱式,l-两圆筒(电极)相互覆盖的有
3、效高度; R- 外圆筒(电极)半径;r- 内圆筒(电极)半径;- 介质介电常数,电容值为:,电容液面计:,R外电极半径; r-内电极半径; l2-电极总长度; l= l0 +l1 ,液面高度; l1-电极浸入液体的高度; l0-电极底部距容器底部的高度; 1-被测介质的介电常数; 2-液面上面气体的介电常数。,气体介质的电容:,液体介质的电容:,= K+Bl,传感器电容量C与液面高度l成线性关系,(2)平行板式,A极板面积; h固体介质厚度; d极距; r固体介质相对介电常数。,空气隙的电容值:,固体介质的电容值:,电容器的电容值为 :,初始电容值为:,当,(灵敏度因子),(非线性因子),当
4、时,,2、此传感器若保持 r 不变,可测介质厚度的变化。,应用:,1、测湿度,灵敏度因子和非线性因子,灵敏度,初始电容:,3、若被测介质充满两极板间,则h=d,此时,测原油含水率,四、几种不同的电容式传感器的原理结构图,(a)和(b)为变极距式,(c)、(d)、(e)和(f)为变面积式,(g)和(h)为变介电常数式,变极距型一般用来测量微小位移(0.01100m); 变面积型一般用于测量角位移1100或较大线位移; 变介电常数型常用于物位测量及介质湿度、密度测量等。 其他物理量须转换成电容器的d、A或的变化再进行测量。,总结:,第二节 电容式传感器的测量电路,一、 电桥,平衡状态,Z1 Z1+
5、Z,调幅调频脉冲,交流,传感器阻抗相对变化率;,桥臂比;,桥臂系数,实数,为最大值Km,而Km又随而变化:,当=180时,桥臂Z1 、 Z2 是相同性质元件;,桥臂Z1 、 Z2 相位相差 90;,当=0时,Km=0.25,,当=90时,Km=0.5,,Km=,输出电压 趋于无穷大,,此时电桥发生谐振。,电桥性能特性曲线,a=1时,,当=0时,则=0。这就意味着当桥臂Z1、Z2是相同性质元件时,无论a为任何值,输出电压 与电源 同相位。,电桥性能特性曲线,1)当a=1时,无论为任何值,始终为零,则输出与电源同相位;,2)当a=时,=m(最大值),并且m =;,几种常用的交流电桥,(a),(c)
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