第四章电容式传感器.

传感器原理及应用西南交通大学电气工程学院(学分:2学时:32)主讲教师:华泽玺电话:8763416113308080547第四章电容式传感器电容元件非电量电容量变化1、电容公式?2、其中可以改变的参数?3、可以应用的行业例子？第四章电容式传感器基本要求①了解电容式传感器的工作原理和结构(主要是变间隙型)；②了解电容式传感器的测量电路;掌握脉冲宽度调制电路方法测量电路；③了解电容式传感器的等效电路、应用中存在问题及解决办法。④了解电容式传感器的测量电路、电容式传感器的简单应用。第三章电容式传感器一、电容式传感器的工作原理和结构二、电容式传感器的等效电路三、电容式传感器的测量电路四、电容式传感器的应用举例五、第四次作业一、电容式传感器的工作原理和结构电容元件非电量电容量变化1920~1925电容传感器用于测量70~80年代，应用广泛集成电容传感器典型应用范围：差压、(角)位移、振动、加速度、物位、成分含量、层析图电容式传感元件的各种结构形式12(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)一、基本工作原理(掌握)ACr0C——电容量，单位：F法拉——真空介电常数，8.85×10-12F/m0——极板间介质的相对介电常数rA——极板的有效面积（m2）——两平行极板间的距离（m）1、平板电容器rRlCrln20变间隙型变面积型变介质型电容式传感器2、圆筒形电容器二、变间隙型电容传感器(掌握))/1()/1(202000Ar时，当0000000/)/1(CCACr)/1(000000AACCCrr极板上移：1、基本特性000ACr121C2C)/1(000000AACCCrr10001CC时，当1/0......13020000CC讨论（1）略去高次项，00CC20200001ACCKr（2）考虑二次项%100%100)(0020fe201S2、有介电层的变间隙型电容传感器22110rrAC11r2210rAC11r2r20001CC0/0/CC放置了介质片的变极距型电容式传感器容量变化公式的推导3、差动式变间隙型电容传感器1000011CACCC1000021CACCC12120201,动极板上移02100AC初始位置时时，当1/0......13020001CC......13020002CC......22300021CCCC002CCS%100)(%100)(2)(220030fe提高一倍减小002CC略去高次项：三、变面积型电容传感器(了解)中间极移动式变面积型差动结构变面积型板状线位移变面积型角位移变面积型筒状线位移变面积型结构型式00000)(llbCCCr00000lbCr00000blClCSr1、板状线位移变面积型l0b00l线性ACr00，0)1(00ACCCr，0)1(0C0CC线性)(2000rRlnlCr)()(2000rRlnllCCCr)1(00llC00llCC线性3、筒状线位移变面积型Rr0ll2、角位移变面积型4、中间极移动式变面积型000212lbCCCr0201,000ACCCr0011C12l00002111lbCCCr2000022lbr2011C5、差动结构变面积型022000)(rRCCrBCAC0220)(2rRCCCrBCACrRlrCCrBCAC000rRlrCCCrBCAC02①扇形平板结构ABCROr②柱面型结构rACBORl--初始位置时一组极板相互覆盖有效面积所包含的角度。四、变介质型电容传感器(了解)BACCC1211022111)(llbbl21010blC21212101001llCCCACBC12121l0l例:drddAC)(0例：电容式液位传感器21CCC)(2)()(2110100rRlnlrRlnll）（1)(2)(211000rRlnlrRlnl1nlmC1l2l0l10r2R2线性返回一、等效电路C——传感器电容L——电感RP——并联损耗电阻RS——串联损耗电阻CP——寄生电容PRPCCsRL高温、高湿、高激励条件二、电容式传感器的等效电路(了解)图中考虑了电容器的损耗和电感效应；Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。传感元件的有效电容Ce可由下式求得(为了计算方便，忽略Rs和Rp):2222222)1()1(11111LCCLCCLCLCCCLCCCjLjCjeeeLCCCCCe21二、应用中存在问题保护环减小极板厚度d极板间隙保护环1、边缘效应d灵敏度降低、非线性增加当平行板的间距d远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。2、寄生电容消灭寄生电容的影响，是传感器实用化的关键。消灭寄生电容的方法：①驱动电缆法等电位屏蔽法xC1②整体屏蔽法③采用组合式与集成技术UK1xC2xC3C4C3R4R1C三、电容式传感器的几个典型特点1.高阻抗直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/(jωC)由于C一般较小，当频率ω不太高时交流阻也很大。2.小功率视在功率PC=UI=U2ωC，由于C很小，则在频率ω不太高时PC也很小。3.存在静电吸引力由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。4.测量回路通常要用交流回路。返回三、电容式传感器的测量电路电容式传感器测量电路被测非电量U、I、f电容直放式外差式普通交流电桥耦合电感电桥变压器电桥双T二极管交流电桥交流电桥电路运算放大器式电路调频电路调幅电路调宽电路一、调频电路(了解)调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频式测量电路原理框图。图中调频振荡器的振荡频率为LCf21一、调频电路LCCCfx)(21210LCCCCfx)(2121LCf21xCCCC21振荡回路固有电容引线分布电容传感器电容1、直放式0C被测信号调频信号鉴频信号0,0fC0C调频电路的优点抗干扰能力强特性稳定高电平直流信号易于接口0C2、外差式二、调幅电路(了解)1、二极管双T图是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RL＋R1＋I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RL＋R2＋C1C21I2I2由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。图是运算放大器式电路原理图,图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压;Σ是虚地点。0IIxIiUscUKxC0CaaiUICjU001IIIx0axxSCUICjU1ixSCUCCU0aiUICjU001IIIx0axxSCUICjU1ACrx0变间隙型电容传感器：0,0IUaiZK,irSCUACU00线性关系三、脉冲宽度调制电路(掌握)0,1QQ1,0QQ0DrcUU1A跳变触发器翻转0CrDUU2A跳变触发器翻转0UrU1A2A1R2R1D2DQQRS1C2CABCD双稳触发器滤波器tttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00UtttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00U21CC21CC121212110UTTTUTTTUUUBA12121UTTTT121210UCCCCUrUUUlnCRT11111rUUUlnCRT11222变间隙型差动电容传感器112120UU变面积型差动电容传感器112120UAAAAU0201，100UUAUAAU10返回例电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用CBRR0C1C2C1L2L21CCCx四、电容式传感器的应用举例(了解)例电容式称重传感器FF误差平均效应例电容式压力传感器(测气体或液体的压力)P单只变间隙型1P2P差动式例电容式加速度传感器惯性原理1C2C1C2C1C2Cam例容栅传感器差动变面积型误差平均效应abpp精度：10um范围：0~150mm案例：电容传声器案例:液面高度测量五、第四次作业1、基本要求①了解电容式传感器的工作原理和结构(主要是变间隙型)；②了解电容式传感器的测量电路;掌握脉冲宽度调制电路方法测量电路；③了解电容式传感器的等效电路、应用中存在问题及解决办法。④了解电容式传感器的测量电路、电容式传感器的简单应用。①电容式传感器有哪些优点与缺点？②说明传感器的工作原理及其类型？③推导差动变间隙型电容传感器的灵敏度和非线性误差，并与单一型传感器比较？④差动脉冲宽度调制电路的用于电容传感器测量电路，具有什么特点？画出电容C1C2情况下A、B、C、D各点和输出U0的电压波形（可参看教案），并给出变间隙型差动电容传感器电压U0输出公式及所有推导过程。⑤已知平板电容传感器极板间质介为空气，极板面积S=a×a=(2×2)cm2,间隙δ0=0.1mm。试求传感器的电容值；若由于装配关系，两极板间不平行，一侧间隙为δ0，而另一侧间隙为δ0+b(b=0.01mm)。求此时的传感器电容值。⑥变间距（δ）型平板电容传感器，当δ0=1mm时，若要求测量线性度为0.1%时，求允许间距测量最大变化量是多少？THEEND传感器原理及应用放置介质片的平行板电容器0gd0dg返回