4 电容传感器.ppt

第4章 电容式传感器 电容量与极板的形状\大小\极板间介质有关： ???????????? 电容式并联：C=C1+C2+… 电容式串联： 传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型 。 第4章 电容式传感器 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0 (8.846×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积S以及两极板间的距离δ有关： ???????????? 同轴式电容： R1,R2---圆柱电极的外,内半径 4.1 电容式传感器的工作原理及类型 图(b)中两平行极板固定不动，极距为δ0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。 1 优点： Ⅰ.结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。 图中C为传感器电容，Rp为低频损?耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；R为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电组，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；Cp为寄生电容。可见，在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑L的存在，会使传感器有效电容Ce变化，从而使得传感器等效灵敏度ke的改变 第4章 电容式传感器 第4章 电容式传感器 1 运算放大器电路 　　　这种电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出； 对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。 　　　下图为其电原理图。Cx为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi→∞)，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与Cx成反比的电压U0，即 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。 当C1=C2时，各点的电压波形如图 (a)所示，Q 和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。 差分式电容传感器 建立下图所示的电容加速度传感器的传递函数。该传感器是基于测量质量块相对位移的加速度传感器. Xb表示振动体位移，弹簧片支撑的敏感质量块作为差动电容的活动极板,以空气作为阻尼. 解 由牛顿第二定律 解 由牛顿第二定律 4.4.4防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印制线。 尽量采用差分式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。 4.4 电容式传感器的设计要点 下页 上页 返回 图库 4.5 电容式传感器的转换电路 电容式传感器把被测量转换成电路参数C0，从而使信号能传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测量结果或控制某些设备工作。 同时，还根据需要将电路参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。 目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型 调制型：调频，调幅（平衡电桥） 脉冲型(或称为电容充放电器) 下页 上页 返回 图库 4.5 电容式传感器的转换电路 交流电桥电路 下页 上页 返回 图库 4.5 电容式传感器的转换电路 变压器电桥电路 RL 无穷大时 对变间隙型电容传感器， 可见，对变极距型差动电容传感器的变压器电桥， 在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。 电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时， VD1导通、VD2截止，C2放电，对C1充电，等效电路如图(b); 当电源为负半周时，VD2导通、VD1截止，C1放电，对C2充电，等效电路如图(c)。 3 、二极管双T形电路 C2 C1 C1 C2 UE RL RL R R R R + + + + iC1 iC2 i’C1 i’C2 (b) (c) UE 当传感器没有位移输入时，C1＝C2，RL在一个周期内流过的平均电流为零，无电压输出