电容式传感器原理:Windows 软件包管理器 WinGet安装及使用教程

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电容式传感器原理:Windows软件包管理器WinGet安装及使用教程氧化铝从材料上可分为γ氧化铝和α氧化铝,该传感器的多孔层采用的是独特的α氧化铝。γ氧化铝的特点是孔密度高,故比表面大、吸水量多,灵敏度高。但其吸水后,因强烈的化学吸附造成水分子与γ氧化铝反应形成勃姆石(γ-AlOOH)。这一缓慢变化随着晶格变化和

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电容式传感器原理:Windows 软件包管理器 WinGet安装及使用教程

氧化铝从材料上可分为γ氧化铝和α氧化铝,该传感器的多孔层采用的是独特的α氧化铝。γ氧化铝的特点是孔密度高,故比表面大、吸水量多,灵敏度高。但其吸水后,因强烈的化学吸附造成水分子与γ氧化铝反应形成勃姆石(γ-AlOOH)。这一缓慢变化随着晶格变化和体积膨大,在日用过程中比表面逐步缩小,吸水量逐步降低,灵敏度不断下降——有明显漂移,且漂移没有穷期,直至传感器失效。α氧化铝是氧化铝中晶相结构及化学性能最稳定的一种,表面相对惰性,不发生水分子的化学吸附,吸附水分子也不发生化学反应。再加上氧化硅作为感湿层,氧化硅具有亲水性、灵敏度高、稳定性好,故而传感器的稳定性非常好、漂移量非常小。

电容式传感器原理:电容式传感器原理介绍图文

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1、 第三章 电容式传感器3.1 电容式传感器工作原理和结构 3.2 电容式传感器等效电路3.3 电容式传感器测量电路3.4 电容式传感器应用2 3.1 电容式传感器工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器的三种类型:变极距型、变面积型和变介电常数型。(l 4 考虑了电容器的损耗和电感效应, 电容式传感器的等效电路。一、电容式传感器等效电路3.2 电容式传感器等效电路根据等效电路,电容式 传感器有一个谐振频率,通 常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏传感器正常作用。因此,工作频率应该选择低 于谐振频率。并联损耗电阻 R p :表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。 并联损耗低频

2、时影响大,随着工作频率增高,容抗减小,影响就减弱。串联损耗电阻 R s :引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。 电感 L :电容器的电感和外部引线电感。 17 二极管双 T 形交流电桥电路中, e 为高频电源,提供了幅值为 U 的对 称方波, V D1、 V D2为特性完全相同 的两只二极管, R 1、 R 2为阻值相等 的两个固定电阻, C1、 C 2为传感器的两个差动电容。 三、二极管双T形交流电桥3.3 电容式传感器测量电路(1传感器没有输入 C 1=C2当 e 为正半周时,二极管 V D1导 通、 V D2截止,则电容 C1被以极短的时间充电至 U 。在前负半周时,电容 C 2已经充

3、电至电压 U 。1、电路基本结构2、基本工作原理22 二极管双 T 形交流电桥电路中, e 为高频电源,提供了幅值为 U 的对 称方波, V D1、 V D2为特性完全相同 的两只二极管, R 1、 R 2为阻值相等 的两个固定电阻, C1、 C 2为传感器的两个差动电容。 三、二极管双T形交流电桥3.3 电容式传感器测量电路(1传感器没有输入 C 1=C2当 e 为正半周时,二极管 V D1导 通、 V D2截止,则电容 C1被以极短的时间充电至 U 。在前负半周时,电容 C 2已经充电至电压 U 。1、电路基本结构2、基本工作原理23 三、二极管双T形交流电桥3.3 电容式传感器测量电路(

4、1传感器没有输入时 C 1=C2电源经 R 1以 I 1向 R L 供电,而电容 C 2经电阻 R 2和负载电阻 R L 放电,流过 R L 的 电流为 I 2。流过 R L 的总电流 I L 为 I 1和 I 2的 代数和。2、基本工作原理同理,当 e 为负半周时,流过负载电 阻 R L 的电流为 I 1和 I 2的代数和。根据所给的条件,在一个周期内流 过负载电阻上平均电流 I 1=I2、 I 1=I 2且方 向相反,流过 R L 的平均电流为零。24 三、二极管双T形交流电桥3.3 电容式传感器测量电路(2传感器有输入时 C 1 C 2当 R L 一定时,引入常数 M ,在一 个周期内输

5、出电压平均值可简写为2、基本工作原理(21C C MUf U o=当电源确定后,输出电压是电容 C 1和 C 2的函数。(3双 T 电路的特点 线 路 简 单 , 可 全 部 放 在 探 头 内,大大缩短了电容引线、减小了分 布电容的影响;电源周期、幅值影响 灵敏度,要求高度稳定; 输 出 阻 抗 与 电 容 无 关,克服了电容式传感器高 内阻的缺点;适用于具有线性特性 的单组式和差动式传感器。26在环形二极管充放电法测量 电容电路中,高频方波信号源, 通过环形二极管电桥,对被测电 容进行充放电,环形二极管电桥 输出一个与被测电容成正比的微 安级电流。四、环形二极管充放电测量电路3.3 电容

6、式传感器测量电路1、电路基本结构输入方波加在电桥的 A 点和 地之间, C x 为被测电容, C d 为平 衡电容传感器初始电容的调零电 容, C 为滤波电容, A 为直流电 流表。二极管双 T 形交流电桥的改进27(1 当输入的方波由 E 1跃变到 E 2时,电容 C x 和 C d 两端的电压皆由 E 1充 电到 E 2。电容 C x 的充电电流为 i 1, C d 的充电 电流为 i 3。在充电过程中 T 1这段时间 内, V D2、 V D4一直处于截止状态,由 A 点向 C 点流动的电荷量为四、环形二极管充放电测量电路3.3 电容式传感器测量电路在放电过程中 T 2这段时 间内, V

7、 D1、 V D3截止,由 C 点向 A 点流过的电荷量为2、基本工作原理(121E E C q d=(2 当输入的方波由 E 2返回到 E 1时, C x 、 C d 放电,两端的电压由 E 2下 降到 E 1,放电电流分别为 i 2和 i 4。(122E E C q x=28(3 设方波的频率 f=1/T0即每秒 钟要发生的充放电过程的次数,由 C 点 流向 A 点的平均电流为 I 2, 从 A 点流向 C 点的平均电流为 I 3, 流过从 C 至 A 支路的 瞬时电流平均值为四、环形二极管充放电测量电路3.3 电容式传感器测量电路环形二极管充放电测量 电路的输出电流 I 正比于传感

8、器电容值的增量C x 。2、基本工作原理( ( (d x d x C C E f E E f C E E f C I I I=(4 令 C x 的初始值为 C 0,C x 为 C x 的增量, C x=C0+C x 。初始调节 C d=C0,则有xd x C E f C C E f I=(29 差动脉冲调宽电路,通过对 传感器电容的充放电,使电路输 出脉冲的宽度随传感器电容量变 化而变化。通过低通滤波器,被测量的 变化转换为直流信号输出。 五、脉冲宽度调制测量电路3.3电容式传感器测量电路当接通电源后,若触发器 Q 端为高电平,则触发器通过 R 1对 C x1充电。2、基

9、本工作原理1、电路基本结构C x1、 C x2为差动式传感器的两 个电容;若用单组式,则其中一 个为固定电容,其电容值与传感 器电容初始值相等; A 1、 A 2是两 个比较器, U r 为其参考电压。30 当 F 点电位 U F 升到与参考电压 U r 相等时,比较器 A 1产生一脉冲 使触发器翻转,使 Q 端为低电平。 此时,电容 C x1通过二极管 V D1迅 速放电至零,而触发器经 R 2向 C 2充电。五、脉冲宽度调制测量电路3.3 电容式传感器测量电路2、基本工作原理当 G 点电位 U G 与参考电压 U r 相等时,比较器 A 2输出一脉冲使 触发器翻转。此时,电容 C x2通过

10、 二极管 V D2迅速放电至零。如此交替激励。因此,电路充放电的时间, 即触发器输出方波脉冲的宽度受 电容 C x1、 C x2的调制。31 3.4 电容式传感器应用 三、电容式加速度传感器 基本结构: 两个固定极板间有一个 用弹簧片支撑的质量块m,质 量块的两端面经抛光后作为 动极板。 绝缘体 定极板1 C1 弹簧片 m a 基本原理: 当传感器测量竖直方向 的振动时,因m的惯性作用, 使其相对固定电极产生位 移,两个差动电容器C1 和C2 定极板2 质量块(动极板) 的电容发生相应的变化,其 中一个变大,另一个变小。 C2 36 3.4 电容式传感器应用 四、电容式传感器其他应用 (1)电容式液位计 (2)电容式料位计 (3)电容式湿敏传感器 (4)电容式键盘 (5)电容传声器 (6)生物识别技术 硅电容指纹图像传感器: 最常见的半导体指纹传感器,通过电子 度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结 合大约100,000个电容传感器。 驻极体电容传声器 37

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电容式传感器原理:电容式传感器的工作原理

硬件型号:洛施达C2S0802NO
系统版本:传感器系统

电容式传感器的工作原理:
电容式传感器的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的,电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成,在两筒之间充以介电常数为e的电解质时,两圆筒间的电容量为C=2eL/lnD/d,式中L为两筒相互重合部分的长度;D为外筒电极的直径;d为内筒电极的直径;e为中间介质的电介常数。在实际测量中D、d、e是基本不变的,所以电容式传感器具有使用方便,结构简单和灵敏度高等特点。

电容式传感器是一种把被测的机械量转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

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电容式传感器原理:电容式传感器的特点及工作原理解析

1 引言
用电测法测量非电学量时,首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器;根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器,而被测的力学量(如位移、力、速度等)转换成电容变化的传感器称为电容传感器。
从能量转换的角度而言,电容变换器为无源变换器,需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量;这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量,而其测量方法的相互关系也很密切。另外,在有些条件下,这些力学量变化相当缓慢,而且变化范围极小,如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率,其他传感器很难做到实现高分辨率要求,在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1~5 μm数量级;而有一种电容测微仪,他的分辨率为0.01 μm,比前者提高了两个数量级,最大量程为100±5 μm,因此他在精密小位移测量中受到青睐。
对于上述这些力学量,尤其是缓慢变化或微小量的测量,一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜,主要是这类传感器具有以下突出优点:
(1)测量范围大其相对变化率可超过100%;
(2)灵敏度高如用比率变压器电桥测量,相对变化量可达10-7数量级;
(3)动态响应快因其可动质量小,固有频率高,高频特性既适宜动态测量,也可静态测量;
(4)稳定性好由于电容器极板多为金属材料,极板间衬物多为无机材料,如空气、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高温、低温强磁场、强幅射下长期工作,尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
2 原理及应用
电容传感器的工作原理是利用力学量变化使电容器中其中的一个参数发生变化的方法来实现信号变换的。根据改变电容器的参数不同,电容传感器可有3类:
2.1 改变极板遮盖面积的电容传感器
图1是3种这类传感器的原理图,图1(a)中是利用角位移来改变电容器极板遮盖面积。假定当2块极板完全遮盖时的面积为S0,两极板间的距离为d,极板间介质的介电常数为ε。当忽略边缘效应时,该电容器的电容量为:

如果其中一块板极相对另一极板转过θ角,则极板间的相互遮盖面积为:

可见,此电容量的变化值和角位移成正比,以此用来测量角位移。
图1(b)中是利用线位移来改变电容器极板的遮盖面积的。如果初始状态极板全部遮盖,则遮盖面积S0=ab,当2块极板相对位移x时,则极板的遮盖面积变为S1=b(a-x)。在介电常数和极板距离不变时,电容量分别为:

可见,此电容量的变化值和线位移x成正比,用他来测量各类线位移。
图1(c)所示电容变换器是图1(b)所示电容器的变种。采用这种锯齿形电极的目的在于提高传感器的灵敏度。若锯齿数为n,尺寸如图1(b)所示不变,当运动齿相对于固定齿移动一个位移x时,则可得:

比较式(2)和式(3)可见,灵敏度提高了n倍。

2.2 改变介质介电常数的电容传感器
图2是2种改变介质介电常数的电容式传感器的原理图。图2(a)常用来检测液位的高度,图2(b)常用来检测片状材料的厚度和介电常数。

图2(a)中由圆筒1和圆柱2构成电容器两极,假定部分浸入被测量液体中(液体应不能导电,若能导电,则电极需作绝缘处理)。这样,极板间的介质由2部分组成:空气介质和液体介质,由此而形成的电容式料位传感器,由于液体介质的液面发生变化,从而导致电容器的电容C也发生变化。这种方法测量的精度很高,且不受周围环境的影响。总电容C由液体介质部分电容C1和空气介质部分电容C2两部分组成:

x — 电容器浸入液体中的深度;
R — 同心圆电极的外半径;
r — 同心圆电极的内半径;
ε1 — 被测液体的介电常数;
ε2 — 空气的介电常数。
当容器的尺寸和被测介质确定后,则h,R,r,ε1和ε2均为常数,令:

这说明,电容量C的大小与电容器浸入液体的深度x成正比。
图2(b)是在一个固定电容器的极板之间放入被测片状材料,则他的电容量为:

式中:S — 电容器的遮盖面积;
d1 — 被测物体上侧至电极之间的距离;
d2 — 被测物体的厚度;
d3 — 被测物体下侧至电极之间的距离;
ε1 — 被测物体上侧至电极之间介质的介电常数;
ε2 — 被测物体的介电常数;
ε3 — 被测物体下侧至电极之间介质的介电常数。
由于d1+d3=d-d2,且当ε1=ε3时,式(5)还可写为:

式中d — 两极板之间的距离。
显然,在电容器极板的遮盖面积S,两极板之间的距离d,被测物体上下侧至电极之间介质的介电常数ε1和ε3确定时,电容量的大小就和被测材料的厚度d2及介电常数ε2有关。如被测材料介电常数ε2已知,就可以测量等厚教材料的厚度d2;或者被测材料的厚度d2已知,就可测量其介电常数ε2。这就是电容式测厚仪和电容式介电常数测量仪的工作原理。
3改变极板间距离的电容传感器
图3是这类传感器的原理图,图3(a)由2块极板构成,其中极板2为固定极板,极板1为与被测物体相连的活动极板,可上下移动。当极板间的遮盖面积为S,极板间介质的介电常数为ε,初始极板间距为d0时,则初始电容C0为:

当活动极板1在被测物体的作用下向固定极板2位移Δd 时,此时电容C为:

当电容器的活动极板1移动极小时,即Δd《

这时电容器的变化量ΔC才近似地和位移Δd成正比。其相对非线性误差为:

显然,这种单边活动的电容传感器随着测量范围的增大,相应的误差也增大。在实际应用中,为了提高这类传感器灵敏度、提高测量范围和减小非线性误差,常做成差动式电容器及互感器电桥组合结构,如图3(b)所示。两边是固定的电极板1和2,中间由弹簧片支承的活动极板3。2个固定极板与互感器两端及交流电源U相连接,活动极板连接端子和互感器中间抽头端子为传感器的输出端,该输出端电压ΔU随着活动极板运动而变化。若活动极板的初始位置距2个固定极板的距离均为d0,则固定极板1和活动极板3之间 ,固定2和活动极板3之间的初始电容相等,若令其为C0。当活动极板3在被测物体作用下向固定极板2移动Δd时,则位于中间的活动极板到两侧的固定极板的距离分别为:

由上述推导可知,活动极板和2个固定极板构成电容分别为:

当他们做成差动式电容器及互感器电桥组合结构时,其等效电容为:

虽然电容的变化量仍旧和位移Δd成非线性关系,但是消除了级数中的偶次项,使线性得到改善。当时(在微小量检测中,如线膨胀测量等,一般都能满足这个条件),略去高次项,得:

比较式(9)和式(7)可见,灵敏度提高了1倍。
比较式(10)和式(8)可见,在1时,非线性误差将大大下降。

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