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1、傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器第二篇第二篇 常用傳感器的原理及應(yīng)用常用傳感器的原理及應(yīng)用1.1.掌握傳感器工作原理及特性掌握傳感器工作原理及特性 2.2.掌握測(cè)量電路掌握測(cè)量電路3.3.了解傳感器的應(yīng)用了解傳感器的應(yīng)用 第第7章章 電容式傳感器電容式傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器7.1 工作原理及特性工作原理及特性 工作原理工作原理:將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量變化。將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量變化。+A 兩平行極板組成的電容器，兩平行極板組成的電容器，其電容量為其電容量為:、A A或或發(fā)發(fā)生生變變化化時(shí)時(shí)，都都會(huì)會(huì)引引起起電電容容的的變化。變化。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器1 1、

2、極距、極距變化型變化型+靈敏度：靈敏度：傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器u靈敏度靈敏度s s與極距的平方成反比，極距越小，靈敏與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距減小受電容極板間擊穿電壓的限度越高，但極距減小受電容極板間擊穿電壓的限制。一般制。一般 0 00.10.11mm1mm左右。左右。u電容量電容量C C與極距與極距呈非線性關(guān)系，為了減小非線呈非線性關(guān)系，為了減小非線性誤差，通常極距變化范圍性誤差，通常極距變化范圍/0 0 0.010.010.10.1。u此類電容傳感器僅適于微小位移的測(cè)量此類電容傳感器僅適于微小位移的測(cè)量（0.010.01 m m數(shù)百微米）；非接觸測(cè)量數(shù)

3、百微米）；非接觸測(cè)量工作特性：工作特性：傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器 實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度性工作范圍和克服外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等）的變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常常采用等）的變化對(duì)測(cè)量精度的影響，常常采用差動(dòng)型電容差動(dòng)型電容式傳感器。式傳感器。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器2 2、面積變化型：常用的有角位移型和線位移型兩種。、面積變化型：常用的有角位移型和線位移型兩種。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器 由于平板型傳感器的可動(dòng)極板

4、稍有極距方向移動(dòng)會(huì)由于平板型傳感器的可動(dòng)極板稍有極距方向移動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精度，因此，一般情況下，影響測(cè)量精度，因此，一般情況下，變面積型電容式變面積型電容式傳感器常做成圓柱形傳感器常做成圓柱形。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x x變化時(shí)，電容量變化，其靈敏度為變化時(shí)，電容量變化，其靈敏度為 圓筒形電容器的電容為圓筒形電容器的電容為:面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)輸出與輸入成線性關(guān)系系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大適用于較大角位移及直線位移的測(cè)量。角位移及直線位移的測(cè)量。傳感器與測(cè)試

5、技術(shù)第7章 電容式傳感器圖中，厚度為圖中，厚度為 2 2 的介質(zhì)的介質(zhì)（2 2 為其介電常數(shù)）在為其介電常數(shù)）在電容器中左右運(yùn)動(dòng)，由于電容器中左右運(yùn)動(dòng)，由于電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)電容器中介質(zhì)的介電常數(shù)改變，電容量改變。設(shè)電改變，電容量改變。設(shè)電容器極板寬度為容器極板寬度為b b，介質(zhì)介質(zhì) 2 2的寬度大于等于的寬度大于等于b b。當(dāng)極板間無(wú)介質(zhì)當(dāng)極板間無(wú)介質(zhì) 2 2時(shí)，時(shí)，3 3、介電常數(shù)變化型、介電常數(shù)變化型傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器存在介質(zhì)時(shí)，存在介質(zhì)時(shí)，C C=C CA A+C CB B（并聯(lián)）并聯(lián)）其中：其中：1 1=-2 2從而：從而：靈敏度靈敏度傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電

6、容式傳感器 常用于測(cè)量電介質(zhì)的常用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度、位移、液位厚度、位移、液位，還可根據(jù)，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量溫度、濕度、容量等。等。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器 目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大電路、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路等。路、運(yùn)算放大電路、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路等。7.2 測(cè)量電路測(cè)量電路 1 1、電橋電路、電橋電路傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器2 2、諧振電路諧振電路 電容傳感器的電容電容傳感器的電容

7、C Cx x作為諧振回路作為諧振回路(L L2 2、C C2 2、C Cx x)調(diào)諧電調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過(guò)電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振容的一部分。諧振回路通過(guò)電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時(shí)，使得諧蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容發(fā)生變化時(shí)，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過(guò)放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。再經(jīng)過(guò)放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器3 3、調(diào)頻電路、調(diào)頻電路 4 4、運(yùn)算放大器電路、運(yùn)算放大器電路 輸出電壓與間隙輸出電壓與間隙成線性關(guān)系。成線

8、性關(guān)系。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器5 5、脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 直流輸出電壓直流輸出電壓與輸入與輸入(間間隙變化隙變化)成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器7.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：(1)(1)輸入能量小而靈敏度高。輸入能量小而靈敏度高。(2)(2)精度高達(dá)精度高達(dá)0.01%0.01%。(3)(3)動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)特性好，適合測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。(4)(4)能量損耗小。能量損耗小。(5)(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性好（高溫、輻射等）。缺點(diǎn)：缺

9、點(diǎn)：電纜分布電容影響大電纜分布電容影響大。集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等集成電路、雙屏蔽傳輸電纜等降低分布電容的影響降低分布電容的影響 傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器 電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等測(cè)試中。等測(cè)試中。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容量發(fā)生周期性變化，量發(fā)生周期性變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，則頻為脈沖信號(hào)，則頻率計(jì)顯示的頻率代率計(jì)顯示的頻率代表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒表轉(zhuǎn)速大小。設(shè)齒數(shù)為數(shù)為z z,頻率為頻率為f f,則則轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為:傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器

10、電容式傳聲器電容式傳聲器傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器 液體壓力液體壓力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片產(chǎn)生膜片產(chǎn)生 位移。位移。傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器電容式液位傳感器（液位計(jì)電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）料位計(jì)）傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器電容式接近開(kāi)關(guān)電容式接近開(kāi)關(guān)振蕩電路振蕩電路被測(cè)物體被測(cè)物體 感應(yīng)電極感應(yīng)電極被測(cè)電容被測(cè)電容傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器本章小結(jié)：本章小結(jié)：1.1.工作原理及特性工作原理及特性 2.2.測(cè)量電路測(cè)量電路3.3.傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用傳感器與測(cè)試技術(shù)第7章 電容式傳感器習(xí)題與思考題：習(xí)題與思考題：P1522、3