传感器及应用 第6章 电容式传感器

第五章电容式传感器电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化。平板电容器的电容根据被测参数的变化分：变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器(A)变介质型电容传感器(ε)dAc变极距型电容传感器若d从d0→d0-Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有00dAc()r0)111(0000dddAdAddAC0001ddddCC当时，变极距式电容传感器有近似线性关系，此时灵敏度10dd01ddCCK为了获得高灵敏度，一般d0较小，但——d0过小易引起电容器击穿或短路，可放置高介电常数材料如云母片dgd0图5-4放置云母片的电容器000ddAcgg一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。对于云母，5.8~6g变面积型电容传感器图5-5变面积型电容传感器原理图axcc0图5-6电容式角位移传感器原理图00CCC变电介质型电容式传感器柱式7dDhHdDhcln)(2ln201dDhdDHln)(2ln2010dDhCln)(2010电容的增量正比于被测液位高度，可测量一种流体的液位高度变介质型电容式传感器平板式8001200000021)()(21dLbCdLLLbcccrrrr电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。电容器式传感器的灵敏度及非线性灵敏度（变面积型）非线性01ddCCK（忽略了线性及以上高次项）00011ddddCC...]1[3020000ddddddddCC泰勒展开保留二次项，并以此做为非线性误差：%100%100)(0020dddddd差动平板式电容传感器目的：提高灵敏度减小非线性误差...])()(1[/11302000001ddddddCddCC...])()(1[/11302000002ddddddCddCC...])(2)(22[50300021ddddddCCCC非线性误差：%100)(%100)/(2)/(220030dddddd灵敏度：02002])(1[2dddddCCK电容传感器的等效电路LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce:ceLjCjCj11CLCCce21两点注意：工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（ω）相同。电容式传感器的测量电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。调频电路运算放大器式电路二极管双T形交流电桥脉冲宽度调制电路调频电路11LCf21特点：转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。运算放大器式电路12运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）ixoUCCUdACxdAUCUio特点：解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题要求Zi及放大倍数足够大为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难二极管双T形交流电桥正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1≠C2，则RL有信号输出LTLLoRdttItITRIU})]()([{1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi几点说明：该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。当电容以PF级变化时，输出以V级变化。脉冲宽度调制电路C1充电，VF。当VFVref时，D=0Q=0，信号反转，Q=1。C1经D1放电。C2充电，VG。当VGVref时，D=0Q=0，Q=1，再次反转。C2经D2放电。设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0B双稳态触发器A1A2R1R2QQ-AFGDD-UrefD1D221211)(TTTTUuuuBAABrefUUUCRT11111lnrefUUUCRT11222lnC1C2uo1211212121UddddUCCCCuAB当d1=d0-Δd,d2=d0+Δd时，有10UdduAB电容式传感器的应用（1）电容式压力传感器17电容式传感器的应用（2）加速度传感器18电容式传感器的应用（3）差动式电容测厚传感器19第五章作业：p781、4、5