第3章 电容式传感器.
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第3章 电容式传感器习题1、 简述电容式传感器的工作原理。
2、简述电容式传感器的优点。
3、试计算习题4—2图所示各电容传感元件的总电容表达式。
习题图4-2解:由习题图4-2可见(1) 三个电容串联111d SC ε=, 222d SC ε=, 333d SC ε=则 Sd d d S d S d S d C C C C 3212133123213322113211111εεεεεεεεεεεε++=++=++=串故332211213312321321///εεεεεεεεεεεεd d d Sd d d S C ++=++=串(2)两个电容器并联d SC C C C dSC C C εε222121==+====并(3)柱形电容器()12/ln 2d d L C πε=4、在压力比指示系统中采用差动式变间隙电容传感器和电桥测量电路,如习题图4-3所示。
已知:δ0=0.25mm ;D=38.2mm ;R=Ω;U sr =60V(交流),频率f=400Hz 。
试求: (1)该电容传感器的电压灵敏度K u (V/µm);(2)当电容传感器的动极板位移△δ=10µm 时,输出电压U sc 值。
习题图4-3解:由传感器结构及其测量电路可知 (1)初始电容20214δπεD C C C ===()()pF F 6.40106.401025.04102.381085.81232312=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=----π由于 1200106.4040021211-⨯⨯⨯===ππωfC C X c())k .(R .Ω=>>Ω⨯=1510896则00022δdU C C U U i i ∆=∆=从而得 mV mm V U d U K i u μδ/12.0/12025.0260200==⨯==∆=(2) U 0 = K u Δd=m×10m=5、有一台变间隙非接触式电容测微仪,其传感器的极板半径r=4mm ,假设与被测工件的初始间隙d 0=0.3mm 。
电容式传感器的原理及应用电容式传感器是在工业生产中广泛使用的一种传感器,其原理是利用电容变化来测量被监测物理量的变化。
这种传感器的应用范围非常广泛,从机械振动到压力,从液位到温度,几乎涵盖了所有与工业生产有关的物理量。
1. 传感器的工作原理电容式传感器的工作原理非常简单。
它由两个平行金属板组成,可以是圆形、方形或矩形。
其中一个板作为固定板,另一个则可移动,与被测的对象相接触。
当被测物体发生变化时,移动板与固定板之间的电容量就会发生变化。
电容量的大小与金属板的面积、间距以及介质的介电常数有关。
一般来说,介电常数越大,电容量也越大。
电容的大小可以用下面的公式来计算:C = εA/d其中,C是电容量,A是金属板的面积,d是金属板之间的距离,ε是介电常数。
2. 传感器的应用电容式传感器的应用非常广泛。
以下是几个常见的应用:(1)机械振动机械振动是许多设备故障的根源。
电容式传感器可以用来检测机械振动的幅度和频率,从而帮助工程师预测设备运行状态。
(2)压力电容式传感器可以用来测量压力的大小。
例如,在液压系统中,传感器可以用来监测液体压力,从而帮助确保系统正常工作。
(3)液位电容式传感器可以用来测量液体的液位。
例如,在油罐中,传感器可以用来监测油位,从而确保油罐中的油量不会过低或过高。
(4)温度电容式传感器可以用来测量物体的温度。
例如,在发动机中,传感器可以用来监测发动机的温度,从而确保发动机不会过热。
3. 传感器的局限性电容式传感器有一些局限性。
首先,它们只适用于测量固体或液体的物理量,而不能用来测量气体的物理量。
其次,它们只能测量电容量的变化,而无法直接测量物理量的大小。
最后,它们需要校准,以确保精度。
4. 结论电容式传感器是一种简单而有效的传感器,适用于测量许多与工业生产有关的物理量。
它的工作原理非常简单,非常适合用来监测机器和设备的状态。
虽然它们有一些局限性,但将它们与其他传感器结合使用可以极大地提高监测系统的准确性和效率。
第三章 电容式传感器电容测量技术近几年来有了很大进展,它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量,而且,还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。
由于电容式传感器具有一系列突出的优点:如结构简单,体积小,分辨率高,可非接触测量等。
这些优点,随着电子技术的迅速发展,特别是集成电路的出现,将得到进一步的体现。
而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服,因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。
第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。
多数场合下,电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质,如图3—1所示。
由两个平行板组成的电容器的电容量为dAC ε=(3—1)式中ε——电容极板介质的介电常数。
A ——两平行板所覆盖面积; d ——两平行板之间的距离; C ——电容量当被测参数使得式(3—1)中的d 、A 和r ε发生变化时,电容量C 也随之变化。
如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化。
因此。
电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。
在实际使用中,电容式传感器常以改变平行板间距d 来进行测量,因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
改变平行板间距d 的传感器可以测量微米数量级的位移,而改变面积A 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。
二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知,电容量c 与极板距离d 不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。
若电容器极板距离由初始值do 缩小d ∆,极板距离分别为do 和do-d ∆,其电容量分别为C0和C1,即0d AC ε=(3—2)⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=∆-=2020********d d d d d A d d d Add AC εεε(3—3)当Ad 《Ju 时,1…菩*1,则式(3—3)可以简化为 一W一一这时c1与AJ 近似呈线性关系,所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad 在极小的范围内变化。