第5章电容式传感器.pptx

5-1 工作原理与特性工作原理与特性1.工工作原理作原理q电电容容传传感感器器是是以以各各种种类类型型的的电电容容器器作作为为传传感感元元件件，将将被被测测参参数数微微小小变变化化的的信信息息转转换换成成电电容容量量的的变变化化，然然后后通通过过测测量量电电路路转转换换成电压输出。成电压输出。平板电容为平板电容为平板电容为平板电容为:A A 极板面积极板面积极板面积极板面积d 极板间距极板间距极板间距极板间距 0 0 真空介电常数真空介电常数真空介电常数真空介电常数 r r 极板介质的相对介电常数极板介质的相对介电常数极板介质的相对介电常数极板介质的相对介电常数A2.类类型型 分类分类分类分类 变极距型变极距型变极距型变极距型变极板间距变极板间距变极板间距变极板间距变面积型变面积型变面积型变面积型变极板面积变极板面积变极板面积变极板面积变介电常数型变介电常数型变介电常数型变介电常数型介质变化介质变化介质变化介质变化 q当当被被测测物物理理量量能能使使式式中中的的，A或或发发生生变变化化，则则电电容容器器的的电电容容C就就会会改改变变。如如果果保保持持其其中中两两个个参参数数不不变变，就就可可把把另另一一个个参参数数的的单单一一变变化化转转换换成成电电容容量量的的变变化化，再再通通过过配配套套的的测测量量电电路路，将将电容的变化转换为电量信号输出。电容的变化转换为电量信号输出。q电容式传感器可分为三种基本类型。电容式传感器可分为三种基本类型。一、变极距型电容式传感器一、变极距型电容式传感器q变极距型电容式传感器的结构原理如图所示。如果两极板间相互覆盖的面积及极间介电常数不变，则当极距有一微小变化时，引起电容量的变化为：由此可得到传感器的灵敏度为：q在实际应用中常采用差动型电容式传感器。中间极板为动片，两边极板为定片。当动片移动距离x后，一边的间隙为-x，而另一边的间隙为+x。两边电容量的变化通过差动电桥叠加，使灵敏度提高了1倍，线性工作区扩大而且减小了静电引力给测量带来的影响，消除了由于温度等环境影响所造成的误差，工作稳定性较好，还能反映被测位移的方向。一、变极距型电容式传感器一、变极距型电容式传感器q变极距型电容传感器适用于较小位移(0.01m至数百微米)二、变面积型电容式传感器二、变面积型电容式传感器q变面积型电容式传感器的灵敏度为：角位移型电容式传感器圆柱线位移型三、变介电常数型电容式传感器三、变介电常数型电容式传感器q这是一种利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器，在固定的二极板之间加入除空气以外的其他待测介质，或由其他物理量控制的介质。当介质变化时，电容量随之变化。q电容量的大小和被测材料的厚度及介电常数有关。若被测材料的介电常数为已知，则可测得其厚度，成为测厚仪；若被测材料的厚度为已知则可测得其介电常数，成为介电常数的测量仪。还可用于测量容器中液面的高度、溶液浓度等。5-2 测量电路测量电路电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路q电容传感器的测量电路实际上是测量电容变化的电路，但电容值很微小，因此必须借助测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成电压、电流或频率。方可显示、记录或传播。q电容传感器的测量电路主要有：电桥电路、调频电路、差动脉冲宽度调制电路和运算放大器式电路等。一、调频电路一、调频电路q调调频频是是利利用用信信号号电电压压的的幅幅值值控控制制一一个个振振荡荡器器，振振荡荡器器输输出出的的是是等等幅幅波波，但但其其振振荡荡频频率率偏偏离离量量和和信信号号电电压压成成正正比比。当当信信号号电电压压为为零零时时，调调频频波波的的频频率率就就等等于于中中心心频率；信号电压为正值时频率提高，负值是则降低。频率；信号电压为正值时频率提高，负值是则降低。一、调频电路一、调频电路q调频电路工作原理如图所示。调频电路工作原理如图所示。调频电路工作原理如图所示。调频电路工作原理如图所示。q振振振振荡荡荡荡器器器器的的的的振振振振荡荡荡荡频频频频率率率率主主主主要要要要取取取取决决决决于于于于回回回回路路路路中中中中的的的的电电电电感感感感和和和和电电电电容容容容，因因因因此此此此只只只只要要要要回回回回路路路路中中中中的的的的电电电电感感感感或或或或电电电电容容容容随随随随外外外外加加加加信信信信号号号号变变变变化化化化，就就就就能能能能获获获获得得得得调调调调频频频频信信信信号号号号。把把把把电电电电容容容容传传传传感感感感器器器器接接接接入入入入调调调调频频频频振振振振荡荡荡荡回回回回路路路路作作作作为为为为振振振振荡荡荡荡器器器器谐谐谐谐振振振振回回回回路路路路的的的的一一一一部部部部分分分分，则则则则振振振振荡荡荡荡器器器器的的的的频频频频率率率率随随随随电电电电容容容容传传传传感感感感器器器器的的的的电电电电容容容容CC而而而而变变变变化化化化，这这这这样样样样振振振振荡荡荡荡器器器器的的的的输输输输出出出出便便便便是是是是一一一一个个个个受受受受被被被被测测测测信信信信号号号号调调调调制制制制的的的的调频波调频波调频波调频波。一、调频电路一、调频电路q限限幅幅器器的的作作用用是是将将干干扰扰及及寄寄生生调调幅幅削削平平，使使进进入鉴频器的调频信号是等幅的。入鉴频器的调频信号是等幅的。q鉴鉴频频器器的的作作用用是是将将调调频频信信号号的的瞬瞬时时频频率率变变化化恢恢复复成成原原调调制制信信号号电电压压的的变变化化，它它是是调调频频信信号号的的解调器。解调器。q与与调调幅幅相相比比，调调频频波波具具有有较较强强的的抗抗干干扰扰能能力力，又又因因为为调调频频波波的的振振幅幅是是一一定定的的，功功率率利利用用率率高高，但但调调频频电电路路比比调调幅幅电电路路复复杂杂，所所占占频频带带宽宽度度也也远大于调幅电路远大于调幅电路。二、脉冲宽度调制电路q由由于于UU1 1的的大大小小是是固固定定的的，因因此此，输输出出直直流流电电压压UUOO随随着着T T1 1 和和T T2 2而而变变，即即随随着着u uA A 和和u uBB的的脉脉冲冲宽宽度度而而变变，而而电电容容CC1 1 和和CC2 2 分分别别与与T T1 1 和和T T2 2成成正正比比。在在电电阻阻RR1 1 和和RR2 2=R=R时时 q对于极距变化型：对于极距变化型：q对于面积变化型：对于面积变化型：5-3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式传感器的应用电容式传感器的应用q电容式传感器的特点电容式传感器的特点电容式传感器的特点电容式传感器的特点1.动态范围大，响应快；动态范围大，响应快；2.灵敏度高；灵敏度高；3.可可以以实实现现非非接接触触测测量量，无无摩摩擦擦，不不会会干干扰扰被测对象的运动状态；被测对象的运动状态；4.输出阻抗高，功率小；输出阻抗高，功率小；5.抗干扰能力差。抗干扰能力差。q电电容容式式传传感感器器利利用用极极间间距距和和极极板板遮遮盖盖面面积积的的变变化化，可可以以测测量量直直线线位位移移或或角角位位移移。通通过过弹弹性性膜膜片片可可以以测测量量压压压压力力力力，通通通通过过过过弹弹弹弹性性性性梁梁梁梁可可可可以以以以测测测测振振振振动动动动或或或或加加加加速速速速度度度度等等等等。利利用用介介质质介介电电常常数数的的变变化化可可以以测测量量液液位位高高度度、溶溶液液的的浓浓度度、非非导导电电材材料料的厚度的厚度等。等。一一、电电容容式式位位移移传传感感器器电容式物位传感器电容式物位传感器二、电容传声器与噪声测量q声声音音是是由由物物体体振振动动产产生生的的，声声音音在在空空气气中中传传播播时时，使使空空气气产产生生疏疏密密变变化化形形成成声声波波，人人们们能能够够感感觉觉到到的的声声音音频频率率范范围围一一般般为为2020000Hz2020000Hz。日日常常生生活活中中，有有些些声声音音是是我我们们需需要要的的，有有些些声声音音则则是是不不需需要要的的，把把给给人人们们以以不不愉愉快快感感觉觉的的不需要的声音不需要的声音统称为统称为噪音噪音。q噪噪声声源源很很多多，就就工工业业噪噪声声而而言言，主主要要有有机机械械噪噪声声、空空气气动动力力噪噪声声和和电电磁磁性性噪噪声声等等。噪噪声声已已成成为为环环境境的的主主要要公公害害之之一一。因因而而控控制制与与防防治治噪噪声声已已经经成成为为重重要要课课题题，噪噪声声参参数数被被列列为为机机械械产产品品动动态态性性能能的的主主要要指指标标之之一一。我我国国已已制制订订了了环环境境噪噪声声标标准准、听听力力保保护护标标准准、机机械械噪噪声声标标准准、家家用电器噪声标准及对应的噪声测试标准。用电器噪声标准及对应的噪声测试标准。（一）噪声的度量q噪噪声声和和声声音音采采用用相相同同的的物物理理度度量量方方法法，只只不不过过噪噪声声是是频频率率成成分分更更为为复复杂杂的的声声音音而而已已。通通常常都都采采用用声声压压级级、声声强强级级和和声声功功率率来来表表示示其其强强弱弱，单位为单位为分贝分贝，用频率或频谱表示其高低。，用频率或频谱表示其高低。q人人对对声声音音的的感感觉觉，不不但但与与声声强强有有关关，而而且且和和声声波波的的频频率率及及波波形形有有关关。两两个个声声压压级级相相同同而而频频率率不不同同的的纯纯声声作作用用于于人人耳耳时时，听听起起来来并并不不一一样样响响。因为因为人耳对高频声波敏感，而对低频声波迟钝人耳对高频声波敏感，而对低频声波迟钝。q为为了了把把客客观观的的物物理理量量和和人人耳耳感感觉觉的的主主观观量量统统一一起起来来，根根据据人人耳耳的的主主观观感感觉觉引引入入另另一一个个声声音音强强度度单单位位响响度度。选选用用1000Hz1000Hz纯纯声声的的声声压压为为标标准准来来表表示示的的声声音音大大小小称称为为响响度度级级，单单位位为为方方（phonphon）。）。（二）噪声测量仪器q噪噪声声的的测测量量主主要要是是声声压压级级的的测测量量，测测出出声声压压级后通过计算便可求出声功率级。级后通过计算便可求出声功率级。1.传声器v传传声声器器又又称称话话筒筒，是是一一种种声声电电换换能能器器，它它可可将将声声波波信信号号变变换换为为电电信信号号。根根据据变变换换原原理理，传传声声器器分分为为电电容容式式、压压电电式式、永永电电体式和动圈式体式和动圈式等。等。v电电容容式式传传声声器器是是声声学学测测量量中中比比较较理理想想的的一一种种话话筒筒，它它的的动动态态范范围围大大、频频率率响响应应平平直直、灵灵敏敏度度高高，在在一一般般环环境境下下性性能能稳稳定定，常常用用于精密声级计。于精密声级计。1.传声器2.声级计2.声级计v声声级级计计是是一一种种便便携携式式的的噪噪声声测测量量仪仪器器，是是噪噪声测量中最基本的仪器。其组成如图所示。声测量中最基本的仪器。其组成如图所示。（三）噪声测量的有关问题1.测量目的2.测点选择3.环境的影响1)本地噪声的修正本地噪声的修正2)风与气流的影响风与气流的影响3)反射影响反射影响1、电容式压力传感器、电容式压力传感器2.电容式加速度传感器电容式加速度传感器 3.电容式应变计电容式应变计 4.电容式荷重传感器电容式荷重传感器 5.电容式测厚仪电容式测厚仪 6.差动电容法测差压差动电容法测差压 7.电容式流量计电容式流量计8.电容式水份计电容式水份计总结总结传感传感传感传感元件元件元件元件 原始原始原始原始输入量输入量输入量输入量 变换变换变换变换原理原理原理原理 物理物理物理物理现象现象现象现象 能量能量能量能量关系关系关系关系 输出量输出量输出量输出量 电电电电容容容容式式式式传感器传感器传感器传感器 位移位移位移位移 结构型结构型结构型结构型 控制型控制型控制型控制型 电容电容电容电容