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第五章 电容传感器 《自动检测技术及应用(第2版)》课件


平行板形变面积式电容传感器的容量变化
设两极板原来的遮盖长度为a0,极板宽度为b, 极距固定为d0,当动极板随被测物体向左移动x 后,两极板的遮盖面积A将减小,电容也随之
减小,电容Cx 为
式中
Cx b(ad00x)C01ax0
C0——初始电容值
C0
ba0 d0
在变面积电容传感器中,电容Cx与直线位移x 成正比。
蔽电缆
电容Ch与液面高度h (从管状电极底部算起)
的关系式为
ChC空C液2ln h 1R /hr0ln2R h/1 r ln 2R h1/r02lnR 1 /r0hln2R /0rh1r11h
( 5-11)
式中 h 1:电容器极板高度;r:内圆管状电极的外半径; R:外圆管状电极的内半径;h:不考虑安装高度时的液
三种类型的电容传感器
在A、d、ε三个参量中,改变其中任意一个 量,均可使电容C 改变。也就是说,电容C 是A、 d、ε的函数,这就是电容传感器的基本工作原
理。固定三个参量中的两个,可以制作成以下 三种类型的电容传感器:
变面积式电容传感器、 变极距式电容传感器 、 变介电常数式电容传感器。
一、变面积式电容传感器
Cx2lnR h0/rxC01hx0
变面积式电容传感器的特性总结
变面积式电容传感器的输出特性在一小段范 围内是线性的,灵敏度是常数。这一类传感器 多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。
CA
A
1-实际特性 2-理论特性
二、变极距式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移时,改
变了两极板之间的距离d,从而使电容量发
C1——空气介质引起的等效电容; C2——被测介质引起的等效电容; δ——介质的厚度;
d——极距
电容式液位计(可以理解为变面积或变介电原理)
a)同轴内外金属管式 b)金属管外套聚四氟
乙烯套管式 c)带底座的电容液位
传感器的结构
1-内圆筒 2-外圆筒 3-被测绝缘液体 4-被测导电液体 5-聚四氟乙烯套管 6-顶盖 7-绝缘底 座 8-信号传输屏
双T形电桥电路具有以下特点: ①电路较为简单;②差动电容传感器、信号源、负
载有一个公共的接地点,不易受干扰;③VD1和VD2工 作在伏安特性的线性段,死区电压影响较小;④输出
信号为幅值较高的直流电压。
第三节 电容式传感器的应用
电容器的容量受三个因素影响,即:极
距 x、相对面积 A 和极间介电常数 。固定
生变化。
实际使用时,总是使初始极距d0尽量小 些,以提高灵敏度,但这也带来了变极距 式电容器的行程较小的缺点。
变极距式电容传感器的特性曲线
a) 结构示意图 b)电容量与极板距离的关系 1—定极板 2—动极板 3-弹性膜片
从图中可以看到,为了提高灵敏度,应使d0小一
些为好,但行程变小(动静极板接触)。
角位移式的结构
C A
角位移 保持极距 d0不变
1-动极板 2-定极板
极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时, 两极板的遮盖面积A 就减小,因而电容量也随之减小。
圆筒形直线位移传感器
Cx
A A
外圆筒不动,内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。 设内圆筒的外半径、外圆筒的内半径分别为R和r,两 者原来的遮盖长度为h0,电容量与位移成正比:
聚四氟乙烯外套
第二节 电容式传感器的测量转换电路
常见的有变压器桥式电路、双T电桥电路、 脉冲宽度调制电路、FM调频电路等。
FM调频电路
调频电路是将电容传感器作为LC振荡器谐
振回路的一部分,当电容Cx变大时,振荡器的 频率f 变低。由于振荡器的频率受电容传感器
的调制,实现C /f 的变换。
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调频(FM)电路
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
平的系列。
聚四氟乙烯外套
液位限位传感器 的设定
设定按钮
智能化液位传感器的设定方 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
进入
5.3 电容传感器的应用
进入
5.4 压力、液位和流量的测量 进入
变容二极管在收音机中的应用
并联在变容二极管两端的反向偏置电压越大,PN结就 越厚,上下极板(P极和N极)的“间距”就越大,等 效电容就越小,收音机谐振电路的频率就越低。
第一节 电容式传感器的工作原理 及结构形式
电容传感器的工作原理可以用平板电容器来 说明。当忽略边缘效应时,其电容为
f 1 2π L0C
电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的 调频电路有何区别?上式中哪个量是变量?
TTL电平的高电平和低电平 电压范围分别是多少伏?
脉冲调制电路
利用某种方法对半导体开关器件的导通和关断进行 控制,在电路的输出端得到一系列按一定规律变化的、 幅值相等,宽度不相等的脉冲。
脉冲调制电路分析
三、变介电常数式
因为各种介质的相对介电常数不同,所以在电容
器两极板间插入不同介质时,电容器的电容量也就
不同。
几种介质的相对介电常数
变介电常数式电容传感器
当某种被测介质处于两极板间时,介质的厚度δ越大, 电容Cδ也就越大。Cδ等效于空气所引起的电容C1和被测 介质所引起的电容C2的并联
C 1 /C 1 1 1 /C 21 /d 0A 1 1 /0 rAd 0A /r
流过RL的平均电流IL
就不为零,输出电压Uo
Uo
RLIL
RL
1 T
T 0
[i1(t)i2(t)]dt
在一个周期内平均值为当ຫໍສະໝຸດ R(R2RL) (RRL)2
RL
M
R(R2RL) (RRL)2
RLUi
f
(C1
C2)
为常数时,有: U o U ifM (C 1 C 2 ) K T Δ C
输出电压Uo与双T形电桥电路中的电容C1和C2的差值 成正比。
C A 0r A
式中
dd
A——两极板相互遮盖的有效面积(m2);
d——两极板间的距离,也称为极距(m);
ε ——两极板间介质的介电常数(F/m);
εr——两极板间介质的相对介电常数; ε0——真空介电常数,ε0=8.8510-12(F/m)
电容器的边缘效应
理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只 有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。 到电容边缘时电场线弯曲最厉害,这种电场线 弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时, 将引起测量误差。
位;ε0:真空介电常数(空气的介电常数与之相近); εr1:被测液体的相对介电常数; ε1:被测液体的介电常数;ε1=εr1ε0。
变面积式电容式液位计(导电液体)
棒状电极(不锈钢金属管)外面包裹聚 四氟乙烯套管,不锈钢金属管的下半部分 与导电液体之间构成电容,两者之间的介 质就是聚四氟乙烯薄层。
当被测液体的液面上升时,引起棒状电 极与导电液体之间有效高度增大。由于聚 四氟乙烯的介电常数是空气的2倍,所以电 容变大。
在随后的负半周期间,VD1截止、VD2导通,于是 电容C2快速充电到Ui的幅值,而电容C1放电。有电流i2 逆向流过RL。
二极管双T形交流电桥电路分析
在初始状态,由于C1=C2,所以电流i1=i2,且方向相
反,在一个周期内流过RL的平均电流IL=0。
若差动电容传感器的C1≠C2,则i1≠i2。在一个周期内
1-定极板 2-动极板 3-外圆筒 4-内圆筒 5-导轨 6-测杆 7-被测物 8—水平基准
C
A
C
d0 x
C
x
d0
变面积式电容传感器简析
图a是平板形直线位移式结构,其中极板1可以左右 移动,称为动极板。极板2固定不动,称为定极板。 图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动,内 圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。
二极管双T形交流电桥电路特点
电路的灵敏度KT与激励电源电压幅值Ui以及频率f有 关,故对激励电源稳定型要求较高。选取Ui的幅值高 于二极管死区电压的10倍以上,可使二极管VD1、VD2 工作在线性区域。R1、R2及RL的取值范围为10~100kΩ。 可以在RL之后设置低通滤波器,能获得平稳的直流输 出电压。
脉冲调制电路的输出波形
a)C1=C2时的波形 b)C1>C2时的波形
二极管双T形交流电桥电路
Ui是频率为f的高频激励电源(约1MHz),它提供了 幅值对称的方波。VD1、VD2为特性完全相同的两只 二极管,固定电阻R1=R2=R,C1、C2为传感器的两个差 动电容,初始值C1=C2 。
在Ui为正半周时, VD1导通、VD2截止, 于是电容C1快速充电 到Ui的幅值, 有电流i1流过RL。
器。反之,若εr不变,则可作为检测介质厚度的传感 器。
变介电常数式电容传感器的用途
当某种被测介质处于两极板间时,介质的厚度δ越大,
电容Cδ也就越大。Cδ等效于空气所引起的电容C1和被 测介质所引起的电容C2的串联:
式中:
C 1 /C 1 1 1 /C 21 /d 0A 1 1 /0 rAd 0A /r
式中
C1——空气介质引起的等效电容; C2——被测介质引起的等效电容; δ——介质的厚度; d——极距
绝缘薄膜张力及厚度测量系统
张力传感器
上下极板
磁粉 制动器
张力传感器 张力信号
厚度信号
励磁信号 电动机
信号处理器
变介电常数式电容传感器的用途
不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当介质
厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变时,该电容器 可作为相对介电常数εr的测试仪器。又如,当空气湿 度变化,介质吸入潮气(εr水=80)时,电容将发生较 大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感
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