第05章电容式传感器.

11第7章磁电式传感器11第7章磁电式传感器第5章电容式传感器22第7章磁电式传感器22第7章磁电式传感器第5章电容式传感器★优点：①高阻抗，小功率。②灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。③良好的动态特性。④结构简单，适应性强。⑤可进行非接触测量。⑥本身发热影响小。★缺点：①变间隙电容传感器非线性较严重。②输出阻抗很高。③寄生电容大。33第7章磁电式传感器33第7章磁电式传感器第5章电容式传感器应用：传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。44第7章磁电式传感器44第7章磁电式传感器第5章电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器55第7章磁电式传感器55第7章磁电式传感器第5章电容式传感器电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度66第7章磁电式传感器66第7章磁电式传感器第5章电容式传感器5.1电容式传感器的工作原理在忽略边缘效应时，平板电容器的电容为dACr01平板电容器77第7章磁电式传感器77第7章磁电式传感器第5章电容式传感器边缘效应：1）边缘效应产生的原因2）产生的后果:边缘效应将使电容量增大，灵敏度降低。+-图5-3边缘效应88第7章磁电式传感器88第7章磁电式传感器第5章电容式传感器3）消除边缘效应的方法•增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距。•采用等位环的方法。图5-4消除边缘效应99第7章磁电式传感器99第7章磁电式传感器第5章电容式传感器d—距离，称变极距型传感器S—面积，称变面积型传感器ε—介质，称变介质型传感器变极距型传感器按电容器参数变化特性分类电容器C可以通过改变5.2电容式传感器的结构类型及主要特性1010第7章磁电式传感器1010第7章磁电式传感器第5章电容式传感器变面积型传感器1111第7章磁电式传感器1111第7章磁电式传感器第5章电容式传感器变介质型传感器1212第7章磁电式传感器1212第7章磁电式传感器第5章电容式传感器5.2.1变极距型平板电容式传感器设动极板未移动时极板间距为d0,初始电容量为：00AdC（5.2.1）1313第7章磁电式传感器1313第7章磁电式传感器第5章电容式传感器极板2上移∆d：电容的相对变化量为：10000dddddddCCdddCddddAdAddAC000000（5.2.2）（5.2.3）1414第7章磁电式传感器1414第7章磁电式传感器第5章电容式传感器略去非线性项，得：00ddCC所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δdd0的条件。且一般Δd只能在极小的范围内变化。一般取∆d/d=0.02~0.1。时，当1/0dd......13020000ddddddddCC级数展开（5.2.4）（5.2.5）1515第7章磁电式传感器1515第7章磁电式传感器第5章电容式传感器非线性误差与Δd/d0有关。其表达式为：%1000020ddddddr）（式（5.2.4）略去二次方以上各项，得)(1000ddddCC（5.2.6）图5-5变间隙式传感器的非线性1616第7章磁电式传感器1616第7章磁电式传感器第5章电容式传感器1202000ddAdCdCK传感器的灵敏度为：（5.2.7）说明:1）灵敏度K与极距d0的平方成反比。2)为了提高灵敏度，减小非线性，常采用差动电容式传感器.1717第7章磁电式传感器1717第7章磁电式传感器第5章电容式传感器d0越小，灵敏度越高。d0过小，容易引起电容击穿或短路。采取的措施：可在极板间放置云母片或其它介电常数高的材料。0dydyAC图5-6极板间放置云母片1818第7章磁电式传感器1818第7章磁电式传感器第5章电容式传感器图5-7差动电容式传感器差动电容式传感器1919第7章磁电式传感器1919第7章磁电式传感器第5章电容式传感器动极板上移∆d时：初始位置时，00,021dSCddddddddd0201,1000011ddCddSCCC1000021ddCddSCCC（5.2.9）（5.2.8）2020第7章磁电式传感器2020第7章磁电式传感器第5章电容式传感器时，当1/0dd......13020001ddddddCC......13020002ddddddCC......22300021ddddCCCC（5.2.10）（5.2.11）（5.2.12）2121第7章磁电式传感器2121第7章磁电式传感器第5章电容式传感器S222000ddCdCK%100%10020030ddddddr提高一倍减小略去高次项：电容量的相对变化为：12402000）（）（ddddddCC非线性误差为：灵敏度：002ddCC（5.2.15）（5.2.14）（5.2.13）（5.2.16）2222第7章磁电式传感器2222第7章磁电式传感器第5章电容式传感器板状线位移变面积型当动极板沿箭头所示的方向移动△x时，其电容量为传感器的灵敏度为图5-8变面积式板状线位移dbxCKaxCC05.2.2变面积型电容传感器bxadxARrxlx（a）平板状（b）筒状dbxaCCCr/)(002323第7章磁电式传感器2323第7章磁电式传感器第5章电容式传感器说明:1.传感器的输出呈线性;2.增大b,减小d0，可提高灵敏度，但是b值的增大受结构的限制。而d值也不可能太小，否则有可能引起电容的击穿或短路，同时加工难度加大;3.x不能太小，否则边缘效应影响增大，引起非线性。2424第7章磁电式传感器2424第7章磁电式传感器第5章电容式传感器初始电容C0为：rRlCln200lxCrRxlC1ln2001当内筒上移△x时，内外筒间的电容C1为：rRl△x同心圆筒形线位移电容式传感器图5-9变面积式筒状线位移2525第7章磁电式传感器2525第7章磁电式传感器第5章电容式传感器电容量的相对变化为：灵敏度为：可见，其输出与输入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板变化型相比，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。lxCC0)/ln(20rRlCxCK2626第7章磁电式传感器2626第7章磁电式传感器第5章电容式传感器0CCθ定片动片角位移式，0dSC0，01100CdSCCC0CCK灵敏度：电容量的相对变化为：变面积型角位移2727第7章磁电式传感器2727第7章磁电式传感器第5章电容式传感器•串联：1d1d00(a)串联型(b)并联型A1d0A1A2011212101ACCCCCdd0001ACdd=10001111CCCCdd0110212AACCCd0120AACd＝01101ACCCd5.2.3变介电常数型电容传感器a)平板结构•并联：2828第7章磁电式传感器2828第7章磁电式传感器第5章电容式传感器CC2C1(b）圆筒式液位传感器初始电容12002r/rlnhC图5-12液位传感器2r22r1hhx1212r/rlnhCx12022r/rlnhhCx2929第7章磁电式传感器2929第7章磁电式传感器第5章电容式传感器/ln2/ln2/ln2/ln2000012012012012xxxxhhCCrrhrrhrrhhrrhChhCCx000与被测液位hx成线性关系。图5-12液位传感器2r22r1hhx3030第7章磁电式传感器3030第7章磁电式传感器第5章电容式传感器1、变间距式电容传感器适用于测量微小位移是因为()A.电容量微弱、灵敏度太低B.传感器灵敏度与间距平方成反比，间距变化大则非线性误差大C.需要做非接触测量2、变间距（d）型平板电容传感器，当d0=1mm时，若要求测量线性度为0.1%，求允许间距测量的最大变化量是多少？练习题3131第7章磁电式传感器3131第7章磁电式传感器第5章电容式传感器3、已知变面积型电容传感器的两极板间距离为10mm，ε=50μF/m，两极板几何尺寸一样，为30mm×20mm×5mm,在外力作用下，其中动极板在原位置上向外移动了10mm，已知真空时的介电常数ε0=8.854×10-12F/m，试求△C=？K=？3232第7章磁电式传感器3232第7章磁电式传感器第5章电容式传感器常用典型的测量电路有以下几种:1）调频电路2)运算放大器式电路3)电桥电路4)脉冲宽度调制电路5.3电容式传感器的测量电路3333第7章磁电式传感器3333第7章磁电式传感器第5章电容式传感器5.3.1调频测量电路电容式传感元件作为LC振荡器谐振回路的一部分，振荡器振荡频率12fLC鉴频限幅调频振荡器CoL电容式传感器ffu放大u输出当电容传感器工作时，电容C发生变化，使振荡器的频率f发生相应的变化△f。3434第7章磁电式传感器3434第7章磁电式传感器第5章电容式传感器5.3.2运算放大器式电路1）优点：改善单个变极距型电容式传感器特性的非线性关系2）原理：如图所示图5-17运算放大器式电路0IiUOiIxIoU－KxC0C3535第7章磁电式传感器3535第7章磁电式传感器第5章电容式传感器电路假设条件：（1）运算放大器增益非常高，输入电压若不使放大器饱和。“虚地”（2）放大器的输入阻抗很高。x0xx0iIICjIUCjIUwwo00oxiCCUUdSCxdSCUUio03636第7章磁电式传感器3636第7章磁电式传感器第5章电容式传感器（3）注意①输出Uo与动极片位移d成线性关系是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。②Uo与电源电压Ui、固定电容C0及电容式传感器的ε、A等有关，任何这些参数的波动都将使输出特性产生误差，因此固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之间的联结，需要有屏蔽措施。3737第7章磁电式传感器3737第7章磁电式传感器第5章电容式传感器1.阻容电桥5.3.3电桥电路图5-14阻容电桥电路原理3838第7章磁电式传感器3838第7章磁电式传感器第5章电容式传感器2.变压器电桥图5-15变压器电桥电路原理22111,1CjZCjZww3939第7章磁电式传感器3939第7章磁电式传感器第5章电容式传感器将阻抗表达式代入上式得当动极板移动Δd时，则有电桥的输出电压为:)(221212122ZZZZUUZZZUUsc)(21221CCCCUUscddACddAC0201,02ddUUsc输出与位移成理想线性关系4040第7章磁电式传感器4040第7章磁电式传感器第5章电容式传感器3.二极管双T型交流电桥•当传感器没有输入时，C1＝C2D2D1eC1C2ABR2R1RL(a)EEet1t2tTo(b)一个周期内流过负载的平均电流为0R2RLR1I2(c)C1C2EI1电源正半周R2RLR1I2(c)C1