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1、第五章电容式传感器,5-1 工作原理与特性,工作原理,电容传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测参数微小变化的信息转换成电容量的变化，然后通过测量电路转换成电压输出。,平板电容为:,A 极板面积 极板间距 0 真空介电常数 r 极板介质的相对介电常数,一、变极距型电容式传感器,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：,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
2、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,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,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,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。,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
3、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,电容传感器的测量电路,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。 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,调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏离量和信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；
4、信号电压为正值时频率提高，负值是则降低。,一、调频电路,调频电路工作原理如图所示。,振荡器的振荡频率主要取决于回路中的电感和电容，因此只要回路中的电感或电容随外加信号变化，就能获得调频信号。把电容传感器接入调频振荡回路作为振荡器谐振回路的一部分，则振荡器的频率随电容传感器的电容C而变化，这样振荡器的输出便是一个受被测信号调制的调频波。,一、调频电路,限幅器的作用是将干扰及寄生调幅削平，使进入鉴频器的调频信号是等幅的。 鉴频器的作用是将调频信号的瞬时频率变化恢复成原调制信号电压的变化，它是调频信号的解调器。 与调幅相比，调频波具有较强的抗干扰能力，又因为调频波的振幅是一定的，功率利用率高，但调频
5、电路比调幅电路复杂，所占频带宽度也远大于调幅电路。,二、脉冲宽度调制电路,由于U1的大小是固定的，因此，输出直流电压UO随着T1 和T2而变，即随着uA 和uB的脉冲宽度而变，而电容C1 和C2 分别与T1 和T2成正比。在电阻R1 和R2=R时,对于极距变化型：,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,电容式传感器的特点 动态范围大，响应快； 灵敏度高； 可以实现非接触测量，无摩擦，不会干扰被测对象的运动状态； 输出阻抗高，功率小； 抗干扰能力差。 电容式传感器利用极间距和极板遮盖面积的变化，可以测量直线位移或角位移。通过弹性膜片可以测量压力，通过弹性梁可以测振动或
6、加速度等。利用介质介电常数的变化可以测量液位高度、溶液的浓度、非导电材料的厚度等。,一、电容式位移传感器,电容式物位传感器,二、电容传声器与噪声测量,声音是由物体振动产生的，声音在空气中传播时，使空气产生疏密变化形成声波，人们能够感觉到的声音频率范围一般为2020000Hz。日常生活中，有些声音是我们需要的，有些声音则是不需要的，把给人们以不愉快感觉的不需要的声音统称为噪音。 噪声源很多，就工业噪声而言，主要有机械噪声、空气动力噪声和电磁性噪声等。噪声已成为环境的主要公害之一。因而控制与防治噪声已经成为重要课题，噪声参数被列为机械产品动态性能的主要指标之一。我国已制订了环境噪声标准、听力保护标
7、准、机械噪声标准、家用电器噪声标准及对应的噪声测试标准。,（一）噪声的度量,噪声和声音采用相同的物理度量方法，只不过噪声是频率成分更为复杂的声音而已。通常都采用声压级、声强级和声功率来表示其强弱，单位为分贝，用频率或频谱表示其高低。 人对声音的感觉，不但与声强有关，而且和声波的频率及波形有关。两个声压级相同而频率不同的纯声作用于人耳时，听起来并不一样响。因为人耳对高频声波敏感，而对低频声波迟钝。 为了把客观的物理量和人耳感觉的主观量统一起来，根据人耳的主观感觉引入另一个声音强度单位响度。选用1000Hz纯声的声压为标准来表示的声音大小称为响度级，单位为方（phon）。,（二）噪声测量仪器,噪声
8、的测量主要是声压级的测量，测出声压级后通过计算便可求出声功率级。 传声器 传声器又称话筒，是一种声电换能器，它可将声波信号变换为电信号。根据变换原理，传声器分为电容式、压电式、永电体式和动圈式等。 电容式传声器是声学测量中比较理想的一种话筒，它的动态范围大、频率响应平直、灵敏度高，在一般环境下性能稳定，常用于精密声级计。,传声器,声级计,声级计 声级计是一种便携式的噪声测量仪器，是噪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,测量目的 测点选择 环境的影响 本地噪声的修正 风与气流的影响 反射影响,1、电容式压力传感器,电容式加速度传感器,电容式应变计,电容式荷重传感器,电容式测厚仪,差动电容法测差压,电容式流量计 电容式水份计,总结,
