4.电容式传感器[1]_2007

第四章电容式传感器第一节基本工作原理、结构及特点第二节电容传感器的测量电路第一节基本工作原理、结构及特点将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器器件•结构简单、适应性强•温度稳定性好•动态响应好•能够实现非接触式测量ε0rSSC(PF)ddC——电容量(PF)S——极板覆盖面积(cm2)d——极板间距(cm)ε——介质的介电常数ε0——真空介电常数εr——介质的相对介电常数变间隙型变面积型变介质型电容式传感器一、变极距型电容传感器0SCd初始状态极板间距d增加Δd0SSSddCCddddddddd极板1极板2电容的相对变化量灵敏度非线性误差100r2CSCdK1dddd2rd/d/d/d100%d/d100%10Cddd1Cddd动极板定极板定极板C2d2C1d112ddd0SCd初始位置时12dddddd动极板下移时1020SS11CCddddd11ddSS11CCddddd11dd00r2CSCK22ddd35120dddCCCC222...ddd差动电容器传感器的输出32rd/d/d/d100%d/d100%灵敏度非线性误差电容的相对变化量240C2ddd2d1...Cdddd二、变面积型电容传感器θ动片定片（a）角位移式角位移式00S0CdS10CC1dL（b）直线位移式b△b直线位移式00SbLL0CddLbbbL0CC1db同心圆筒形线位移电容式传感器D0D1La圆柱形电容式线位移传感器初始电容C0为：：筒长L)pF/C;cm/L(DDln.LC,DDlnLCrr10010008012成线性关系。与aLaCDDaLCr,ln1201001当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a时，内外筒间的电容C1为：三、变介质型电容传感器xx0abCδxCC1C2C3设固定极板长度为L、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测物的厚度和它的介电常数分别为δx和ε,则变介质型电容传感器——厚度传感器0010bLCdd120101010CCC11bxbLxdddd插入介质前插入介质后ε0LC1d1d0ε1xC2CC2C1变介质型电容传感器——线位移传感器1000102h2HCKBhRRlnlnrr2HKRlnr2BRlnr2R2rHhCC2C11.3变介质型电容传感器——液位传感器第二节电容传感器的测量电路调幅测量电路•交流电桥•运算放大电路测量电路脉冲调制测量电路•二极管T形网络•脉冲宽度调制电路1423oZZZZU0z1dabz2z3z4UOU平衡条件电容传感器阻抗变化ΔZ1，桥路失去平衡，根据分压原理，其输出电压为：311o11234ZZZUUZZZZZZ1+ΔZ1交流电桥311o112342ZZZUUZZZZZAUKU1A11ZZ12ZAZ122212ZZAK1A1ZZ传感器阻抗相对变化量桥臂比桥臂系数z1dabz2z3z4UOUZ1+ΔZ11111CZZC传感器阻抗相对变化量β为一个实数，其与电容器阻抗变化为线性关系桥臂比12jjj11221212ZAZeZeaeZaZZj2122122AKKefa,1AaKfa,12acosa1asintgfa,2a1acos桥臂系数UCr1C（a）RRUSCCr1R（b）RCr2USCU2.交流电桥的不平衡状态①单臂交流电桥）（4124111ZZUUSRSC②半桥差动电路）（4222111ZZUUSRSC③全桥差动电路）（43211ZZUUSRSCUoC1C2Us变压器式交流电桥变压器电容电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用变压器电容电桥差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移均成线性关系C1C2USC电桥测量电路放大振荡器相敏检波滤波器运算放大器测量电路CxC0-AUUSCIiIxICx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零C2+Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++(a)C1UERLR1R2i1i2+二极管双T型电路若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极短的时间充电至UE，电容C2的电压初始值为UE，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL的放电电流为i2，流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和UE(b)+i2R1R2C1C2RL+i1Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++二极管双T型电路在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至电压UE；电源经电阻R2以i1向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1经电阻R1、负载电阻RL放电，流过RL的放电电流为i2。流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和差动脉冲调宽电路U0R2D1D2ABR1C1C2FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A1利用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。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号差动脉冲调宽电路各点电压波形图11111r12221rUTRClnUUUTRClnUU1A1122B112TUUTTTUUTT0AB1211121212112UUUTTUUTTTTTTUTT120112CCUUCC差动脉冲调制电路