电容式传感器原理介绍_图文.

第三章电容式传感器§3.1电容式传感器工作原理和结构§3.2电容式传感器等效电路§3.3电容式传感器测量电路§3.4电容式传感器应用2§3.1电容式传感器工作原理和结构一、基本工作原理电容式传感器的三种类型:变极距型、变面积型和变介电常数型。(l4考虑了电容器的损耗和电感效应,电容式传感器的等效电路。一、电容式传感器等效电路§3.2电容式传感器等效电路根据等效电路,电容式传感器有一个谐振频率,通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏传感器正常作用。因此,工作频率应该选择低于谐振频率。并联损耗电阻Rp:表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。并联损耗低频时影响大,随着工作频率增高,容抗减小,影响就减弱。串联损耗电阻Rs:引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L:电容器的电感和外部引线电感。17二极管双T形交流电桥电路中,e为高频电源,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,R1、R2为阻值相等的两个固定电阻,C1、C2为传感器的两个差动电容。三、二极管双T形交流电桥§3.3电容式传感器测量电路(1传感器没有输入C1=C2当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,则电容C1被以极短的时间充电至U。在前负半周时,电容C2已经充电至电压U。1、电路基本结构2、基本工作原理22二极管双T形交流电桥电路中,e为高频电源,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,R1、R2为阻值相等的两个固定电阻,C1、C2为传感器的两个差动电容。三、二极管双T形交流电桥§3.3电容式传感器测量电路(1传感器没有输入C1=C2当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,则电容C1被以极短的时间充电至U。在前负半周时,电容C2已经充电至电压U。1、电路基本结构2、基本工作原理23三、二极管双T形交流电桥§3.3电容式传感器测量电路(1传感器没有输入时C1=C2电源经R1以I1向RL供电,而电容C2经电阻R2和负载电阻RL放电,流过RL的电流为I2。流过RL的总电流IL为I1和I2的代数和。2、基本工作原理同理,当e为负半周时,流过负载电阻RL的电流为I’1和I’2的代数和。根据所给的条件,在一个周期内流过负载电阻上平均电流I1=I2、I’1=I’2且方向相反,流过RL的平均电流为零。24三、二极管双T形交流电桥§3.3电容式传感器测量电路(2传感器有输入时C1≠C2当RL一定时,引入常数M,在一个周期内输出电压平均值可简写为2、基本工作原理(21CCMUfUo−=当电源确定后,输出电压是电容C1和C2的函数。(3双T电路的特点①线路简单,可全部放在探头内,大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响;②电源周期、幅值影响灵敏度,要求高度稳定;③输出阻抗与电容无关,克服了电容式传感器高内阻的缺点;④适用于具有线性特性的单组式和差动式传感器。26在环形二极管充放电法测量电容电路中,高频方波信号源,通过环形二极管电桥,对被测电容进行充放电,环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。四、环形二极管充放电测量电路§3.3电容式传感器测量电路1、电路基本结构输入方波加在电桥的A点和地之间,Cx为被测电容,Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容,C为滤波电容,A为直流电流表。二极管双T形交流电桥的改进27(1当输入的方波由E1跃变到E2时,电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充电到E2。电容Cx的充电电流为i1,Cd的充电电流为i3。在充电过程中T1这段时间内,VD2、VD4一直处于截止状态,由A点向C点流动的电荷量为四、环形二极管充放电测量电路§3.3电容式传感器测量电路在放电过程中T2这段时间内,VD1、VD3截止,由C点向A点流过的电荷量为2、基本工作原理(121EECqd−=(2当输入的方波由E2返回到E1时,Cx、Cd放电,两端的电压由E2下降到E1,放电电流分别为i2和i4。(122EECqx−=28(3设方波的频率f=1/T0即每秒钟要发生的充放电过程的次数,由C点流向A点的平均电流为I2,从A点流向C点的平均电流为I3,流过从C至A支路的瞬时电流平均值为四、环形二极管充放电测量电路§3.3电容式传感器测量电路环形二极管充放电测量电路的输出电流I正比于传感器电容值的增量ΔCx。2、基本工作原理(((121232dxdxCCEfEEfCEEfCIII−Δ=−−−=−=(4令Cx的初始值为C0,ΔCx为Cx的增量,Cx=C0+ΔCx。初始调节Cd=C0,则有xdxCEfCCEfIΔΔ=−Δ=(29差动脉冲调宽电路,通过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,被测量的变化转换为直流信号输出。五、脉冲宽度调制测量电路§3.3电容式传感器测量电路当接通电源后,若触发器Q端为高电平,则触发器通过R1对Cx1充电。2、基本工作原理1、电路基本结构Cx1、Cx2为差动式传感器的两个电容;若用单组式,则其中一个为固定电容,其电容值与传感器电容初始值相等;A1、A2是两个比较器,Ur为其参考电压。30当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时,比较器A1产生一脉冲使触发器翻转,使Q端为低电平。此时,电容Cx1通过二极管VD1迅速放电至零,而触发器经R2向C2充电。五、脉冲宽度调制测量电路§3.3电容式传感器测量电路2、基本工作原理当G点电位UG与参考电压Ur相等时,比较器A2输出一脉冲使触发器翻转。此时,电容Cx2通过二极管VD2迅速放电至零。如此交替激励。因此,电路充放电的时间,即触发器输出方波脉冲的宽度受电容Cx1、Cx2的调制。31§3.4电容式传感器应用三、电容式加速度传感器基本结构：两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块m，质量块的两端面经抛光后作为动极板。绝缘体定极板1C1弹簧片ma基本原理：当传感器测量竖直方向的振动时，因m的惯性作用，使其相对固定电极产生位移，两个差动电容器C1和C2定极板2质量块（动极板）的电容发生相应的变化，其中一个变大，另一个变小。C236§3.4电容式传感器应用四、电容式传感器其他应用（1）电容式液位计（2）电容式料位计（3）电容式湿敏传感器（4）电容式键盘（5）电容传声器（6）生物识别技术硅电容指纹图像传感器：最常见的半导体指纹传感器，通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器。驻极体电容传声器37