電容傳感器課件.ppt

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1、第四章電容傳感器第一節(jié)電容傳感器工作原理第二節(jié)電容傳感器測量電路第三節(jié)電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成電容量的測量裝置,它與電阻傳感器和電感傳感器相比,具有如下優(yōu)點(diǎn):①測量范圍大,ΔC/C可達(dá)100%;②靈敏度高,相對變化量可達(dá)10-7;③動態(tài)響應(yīng)時間短,可動部分質(zhì)量小,固有頻率高;④結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)。第一節(jié)電容傳感器工作原理電容量C的變化決定于參數(shù)S、d和ε,因而有三種基本類型的電容傳感器。εdSε:介質(zhì)介電常數(shù)εr—極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε0—真空的介電常數(shù)=8.85×10-12F/mS:極板面積d:極板間距離一、變面積電容傳感器常用的有角位移型和

2、線位移型兩種與變間隙型相比,適用于較大角位移及直線位移的測量Kθ僅與S/d有關(guān),而與角位移θ無關(guān)1.角位移式θ—動極相對于定極旋轉(zhuǎn)的角度,即角位移電容量Cθ與角位移θ成線性靈敏度KX僅與b/d有關(guān),與直線位移X無關(guān)加大極板面積S可以提高靈敏度,但通常結(jié)構(gòu)尺寸不允許作得很大減小極間距d可以提高靈敏度,但過小的d可能導(dǎo)致極間介質(zhì)被電場擊穿2.直線位移式X——動極相對于定極的直線位移Cx與直線位移X也是線性關(guān)系靈敏度二、變介質(zhì)的介電常數(shù)(ε)型改變極板間介質(zhì)的介電常數(shù)->改變電容量的大小常用來檢測容器中液位的高度或片狀電介質(zhì)厚度電容液位計(jì)C1是高度為h1的不導(dǎo)電液體為電介

3、質(zhì)的部分的電容量ε1——不導(dǎo)電液體的介電常數(shù)以高度為h2的氣體為介質(zhì)的部分電容量C2ε2—?dú)怏w的介電常數(shù)電容器總電容量C為C1和C2相并聯(lián)h、R、r及ε1、ε2均為常數(shù)A和B為線性比例系數(shù)總電容量C僅與液位高度h1成正比dD1DLHCHε1ε3ε2例:如圖所示,圓筒形金屬容器中心放置一個帶絕緣套管的圓柱形電極用來測介質(zhì)液位。絕緣材料介電常數(shù)為ε1,被測液體介電常數(shù)為ε2,液體上方氣體介電常數(shù)為ε3,電極各部位尺寸如圖所示,并忽略底面電容(絕緣套筒底部及下方液體部分)。求:當(dāng)被測液體為導(dǎo)體及非導(dǎo)體時的兩種情況下,分別推導(dǎo)出傳感器特性方程(即表達(dá)式)CH=f(H)dD1

4、DLHCHε1ε3ε2令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容;C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容;C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。則有:dD1DLHCHε1ε3ε2令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容;C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容;C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。dD1DLHCHε1ε3ε2令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容;C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容;C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。dD1DLHCHε1ε3ε

5、2令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容;C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容;C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。dD1DLHCHε1ε3ε2令C1、C4分別為絕緣套在電極上、下兩部分形成的電容;C3是液面上方氣體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容;C2是被測液體在容器壁與絕緣套外壁間形成的電容。C1C3C4C2CH注意:本例與前一例題的區(qū)別C1C3C4C2CH當(dāng)被測液體為非導(dǎo)體時:C1C3C4C2CH當(dāng)被測液體為導(dǎo)體時:(C2=0)d為兩電極板之間的間距,d1為被測電介質(zhì)的厚度空氣介質(zhì)的厚度:d0=d-d1,總電容量C為空氣

6、介質(zhì)電容C0與被測厚電介質(zhì)電容C1相串聯(lián)電容測厚計(jì)S—電容器極板的有效面積;ε0—空氣的介電常數(shù)ε1—被測厚材料的介電常數(shù),ε1=ε0εr;εr—被測厚材料相對介電常數(shù)對線性沒有要求(待測變量εr和d1基本不變或變化甚小)d不變,ε改變,相對介電常數(shù)測試儀如:測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度ε不變,d改變,測厚儀如:測量紙張、絕緣薄膜等的厚度這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)??筛鶕?jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量溫度、濕度(圖d)等原理:變介質(zhì)型變極距型;特點(diǎn):非接觸式測量應(yīng)用:紙張、絕緣薄膜等電

7、容式厚度傳感器電容微位移計(jì)三、變極板間距離(d)型極板1固定不動的極板2沿間隙方向平行位移εδS1定極板2動極板ε:極板間介質(zhì)介電常數(shù)ε0:真空介電常數(shù)εr:極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)δ:極板間距離S:極板面積進(jìn)行微位移測量時,ΔX<<d0(工程中一般取ΔX/d0=0.02~0.1),則上式具有近似的線性關(guān)系設(shè)初始兩極板間的距離為d0,此時電容量為,當(dāng)極板2沿極板垂直方向移動ΔX:兩極板間距離為d=d0-ΔX(極板2上移時,ΔX>0;下移時ΔX<0),則電容量為非線性分析:用端基法求線性度:△X△C/C?△Xmym△Xm0實(shí)際特性與理論特性(與端基直線)之間的非線性

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