4.电容式传感器[1]_2008

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三节电容式传感器的误差分析第四节电容式传感器的医学应用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35120dddCCCC222ddd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240C2ddd2d1Cdddd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△LL（b）直线位移式b直线位移式00SbLL0CddbLLLL0CC1dL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——液位传感器例题置于某储存罐的电容式液位传感器由半径为20mm和4mm的两个同心圆柱体组成，并于存储罐等高。存储罐也是圆柱体，半径为25cm，高为1.2m，被储存液体的介电常数为2.1.试计算传感器的最大电容和最小电容以及传感器用在该存储器内时的灵敏度。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调频测量电路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平衡条件交流电桥Z=R+jX=Zejφ在正弦交流情况下，桥臂阻抗可以写成复数的形式若将电桥的平衡条件用复数的指数形式表示Z1ejφ1·Z4ejφ4=Z2ejφ2·Z3ejφ3根据复数相等的条件Z1Z4=Z2Z3φ1+φ4=φ2+φ3z1dabz2z3z4UOU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交流电桥假如Z1=Z2，Z3=Z431o12342ZZZUUZZZZZAUKU1A11ZZ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UoC1C2Us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1.为了保证线性，传感器要工作在平衡位置附近2.必须接高输入阻抗放大器3.通过相敏检波和滤波器来判断输入信号极性ABCDE（1）信号输入端（2）交流参考电压输入端（3）信号输出端（4）直流参考电压输入端（5）、（6）附加观察插口运算放大器测量电路CxC0-AUiUoIiIxICx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零二极管双T型电路Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±Ui++12a12a差动脉冲调宽电路U0R2D1D2ABR1C1C2FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A1根据电路知识可知：12121211UTTTUUTTTUBA，UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2—分别为C1和C2的充电时间；U1—触发器输出的高电位。）（2631122211111UUUlnCRTUUUlnCRTrrC1、C2的充电时间T1、T2为：A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差，）（27312121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA设R1＝R2＝R，则）（283121210UCCCCU说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。对于差动式变极距型电容传感器：UddU100对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为ΔS，则滤波器输出为：USSU100可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。调频测量电路LCCCfgp)(21002100LCCCCfffgpLCf21gpCCCC0振荡回路固有电容传感器电容引线分布电容CxΔf振荡器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鉴频器L1L2C1C2VD1VD2R1R2C3C4uo1uo2u1uo+-+-+-+-+CCu2ML3在f=fo点,uo=0，ffo时,uo为负。当ffo时,uo为正。当频率偏离超过fm1和fm2两点时,曲线弯曲,这是由于失谐严重鉴频特性曲线下降。现有一只电容位移传感器，其结构如图4-18(a)所示。已知Ｌ=25mm，R=6mm，r=2mm。其中圆柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，CBC构成一个固定电容CF，CAC是随活动屏蔽套筒伸人位移量x而变的可变电容CX。并采用理想运放检测电路如图4-18(b)所示，其信号源电压有效值USC=6V。问：⑴在要求运放输出电压USC与输入位移x成正比时，标出CF和CX在（b）图应连接的位置；⑵求该电容传感器的输出电容——位移灵敏度KC是多少？⑶求该电容传感器的输出电压——位移灵敏度KV是多少？