項目三電容傳感器

1、項目三電容傳感器Page 22022-1-29 電容傳感器可用來測量直線位移、角位移，振動振幅(可測至0.05m的微小振幅)，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、厚度等等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。 當測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時被測物是電容器的一個電極，另一個電極則在傳感器內。 電容式傳感器是利用電容器的原理將被測非電量轉換為電容量的變化，實現非電量到電量的轉化。根據電容器變化的參數不

2、同，電容傳感器可以分為：變間隙式、變面積式和變介電常數式Page 32022-1-29 測厚儀作為一種在線測量板材厚度的高精密儀器，在整個軋機的厚控系統(tǒng)中占著非常重要的地位。它為軋機的AGC系統(tǒng)提供實時厚度偏差信號，信號的準確度與分辨力直接影響了壓扎板材的厚度質量。 Page 42022-1-29第一節(jié)第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理及結構形式電容式傳感器的工作原理及結構形式電容傳感器的基本理想公式為0 rAACdd 改變改變A A、d d、 三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C C 改變。改變。 固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的

3、電容傳感器。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器。 電容式傳感元件的各種結構形式電容式傳感器傳感元件電容式傳感器傳感元件一、變面積式電容傳感器一、變面積式電容傳感器 圖a是平板形直線位移式結構，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結構。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移 度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的特性 變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數。這一類傳感器多用于檢測直線

4、位移、角位移、尺寸等參量。二、變極距式電容傳感器二、變極距式電容傳感器 二、變極距式電容傳感器二、變極距式電容傳感器 當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。 實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。變極距式電容傳感器的特性曲線變極距式電容傳感器的特性曲線 a）結構示意圖 b）電容量與極板距離的關系1定極板 2動極板 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應使當d0小些還是大些？當變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時，它的測量范圍變大還是變?。?為提高靈敏度和線性度，克服電源電壓、環(huán)境溫度變化等外界

5、條件影響，常采用差動式電容傳感器上下兩極板是固定極板，中間極板是活動極板未開始測量時將活動極板調整在中間位置，兩邊電容相等。測量時，中間極板向上或下平移，就會引起電容量的上增下減或反之。差動式結構12S差動平板式電容傳感器結構例:解： 1） 2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格PF01. 03 . 0/10*213 . 0/10*2*48. 1/1/PF48. 110*3 . 0)10*4(*1085. 8330003231220ddddCCdrdSC 一電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙d=0.3mm，介電常數=8.8510-12F/m，試求：1)工作中，若

6、傳感器與工件的間隙減小量d=2m, 電容變化量是多少?2)若測量電路的靈敏度S1=100mv/PF, 讀數儀表的靈敏度S2=5格/mv, 當d=2m,時，讀數儀表示值變化多少格?常用變介質型電容傳感器的結構型式如下圖所示。用途：測量紙張、絕緣薄膜等的厚度測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質的濕度三、變介電常數式三、變介電常數式 三、變介電常數式三、變介電常數式 表4-1幾種介質的相對介電常數 因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。變介電常數式電容傳感器的用途變介電常數式電容傳感器的用途 根據表4-1，分析不同介質對變介電常數電容器的影

7、響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？ 電容傳感器的特點：電容量小，變化更小（電容傳感器的特點：電容量小，變化更小（PF級）。理論上級）。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的測量電路，但由于電容及變化太小，交流電橋可作為電容傳感器的測量電路，但由于電容及變化太小，不易實現。，不易實現。 電橋電路電橋電路 調頻電路調頻電路 諧振電路諧振電路 運算放大器式電路運算放大器式電路 脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2第二節(jié)第二節(jié) 電

8、容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 （電橋電路電橋電路 ）Cr1Cr2U0U（d）第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 （電橋電路電橋電路 ） 電橋的輸出為一調幅波，經放大、相敏解調、濾波后獲得輸出。 第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 （電橋電路電橋電路 ） 傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分。當輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。頻率的變化經過鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再經過放大后由記錄器記錄或顯示儀表指示。LCf21第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 （調頻電路調

9、頻電路 ） 特點：電路比較靈敏；工作點不易選好，且變化范圍窄；連接電纜雜散電容對電路的影響大；為提高測量精度，振蕩器的頻率要求具有很高的穩(wěn)定性電容傳感器的電容Cx作為諧振電路(或)調諧電容的一部分。此諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器獲得振蕩電壓。當傳感器的電容Cx發(fā)生變化，諧振回路的阻抗也發(fā)生相應變化，并被轉換成整流器電流的變化。該電流經過放大、檢波即可得到輸出。為了獲得較好的線性，一般工作點應選擇在諧振曲線一邊最大振幅的70附近的準線性區(qū)域內。 第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 （諧振電路諧振電路 ） 運算放大器式電路原理圖特點能將變間隙電容式傳感器

10、的非線性特性轉換為線性關系特點能將變間隙電容式傳感器的非線性特性轉換為線性關系第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 （運放電路運放電路 ） 脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路電壓比較器電壓比較器A1、A2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電容充放電回路電容充放電回路常用于差動式電容傳感器常用于差動式電容傳感器第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器的測量轉換電路電容式傳感器的測量轉換電路 ( (脈寬調制脈寬調制電路電路 ） 第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A 和極間介電常數 。固定其中兩個變 量，電容量C 就是另一個變量的

11、一元函數。只要想辦法將被測非電量轉換成極距或者面積、介電常數的變化，就可以通過測量電容量這個電參數來達到非電量電測的目的。 6.5 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（差動電容式壓力傳感器）電容式傳感器的應用（差動電容式壓力傳感器）差動式電容加速度傳感器結構圖 621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質量塊；4彈簧；5輸出端；6殼體第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式加速度傳感器）電容式傳感器的應用（電容式加速度傳感器） 當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時， 質量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質量塊在垂直方向產生大小

12、正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增加，一個減小，從而使C1、C2產生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應快和量程范圍大， 大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質。 第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式加速度傳感器）電容式傳感器的應用（電容式加速度傳感器）加速度傳感器在汽車中的應用加速度傳感器在汽車中的應用 裝有傳感器的假人氣囊 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當測得的負加速度值超過設定值時，微處理器據此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。汽

13、車氣囊的保護作用汽車氣囊的保護作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。汽車氣囊對駕駛員的保護作用汽車氣囊對駕駛員的保護作用電容式傳感器電容式傳感器下圖是改變極板間介質的電容式傳感器的一種應用，用于測量液位高低，其結構原理圖如下：dDnHC120式中：C0由傳感器的基本尺寸 決定的初始電容值； 空氣介電常數。 第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器）電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器）被測介質的介電常數為1，液面高度為 h, 變換器總高度為H, 內筒外徑為 d, 外筒內徑為 D則此時變換器電容值為： dDhCln21可見，變換器的電容增量C正比于被測

14、液位高度h。第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器）電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器） 電容式液位傳感器不僅能測量腐蝕性液體，還能測量粉塵和固體顆粒，可用于制藥、化工、食品等行業(yè)。如啤酒罐裝機酒位測控、奶制品生產線液位測控、制藥廠反應罐、油箱液位測量等。選用帶同軸接地管全絕緣探頭。電容式液位傳感器不僅能測量腐蝕性液體，還能測量粉塵和固體顆粒，可用于制藥、化工、食品等行業(yè)。如啤酒罐裝機酒位測控、奶制品生產線液位測控、制藥廠反應罐、油箱液位測量等。選用帶同軸接地管全絕緣探頭。第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器）電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器）第三節(jié)第三節(jié) 電容

15、式傳感器的應用（電容式液位傳感器）電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器）第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器）電容式傳感器的應用（電容式液位傳感器） 電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化， 用交流電橋將電容的變化測出來，經過放大即可由電表指示測量結果。第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式測厚傳感器）電容式傳感器的

16、應用（電容式測厚傳感器） 電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化， 用交流電橋將電容的變化測出來，經過放大即可由電表指示測量結果。第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式測厚傳感器）電容式傳感器的應用（電容式測厚傳感器）差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖 音頻信號發(fā)生器音頻放大器全波整流器差動放大器C0C1C2RRCT第三節(jié)第三節(jié) 電容式

17、傳感器的應用（電容式測厚傳感器）電容式傳感器的應用（電容式測厚傳感器）聚四氟乙烯外套第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式液位計）電容式傳感器的應用（電容式液位計） 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。第三節(jié)第三節(jié) 電容式傳感器的應用（電容式液位限位傳感器）電容式傳感器的應用（電容式液位限位傳感器） 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。第三節(jié) 電容式傳感器的應用液位限位傳感器的設定液位限位傳感器的設定設定按鈕電容式傳感器電容式傳感器 智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常