第4章-电容传感器资料课件

第四章第四章 电容式传感器电容式传感器1 优点：优点：结构简单、灵敏度高，动态响应好，抗结构简单、灵敏度高，动态响应好，抗过载能力强，对恶劣条件适应性强，价格便宜。过载能力强，对恶劣条件适应性强，价格便宜。2 电容式传感器的位移测量范围在电容式传感器的位移测量范围在1m10mm之之间，变极距式电容传感器的测量精度约为间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达达0.3 m。电容式传感器的原理及结构形式电容式传感器的原理及结构形式 原理：两金属板间的电容量为：使被测量与其中一参数存在某种对应函数关系，被测 量变化可由电容量变化反映出来。结构形式:l极距变化型电容传感器（d 变化）l面积变化型电容传感器（S 变化）l介值变化型电容传感器（变化）3 4.1 极距变化型电容传感器（d变化）c近似为：设初始：d0、c0，当产生d时，4 由 当d/d0 f0 时，比 滞后大于270，U30，f越大，U3越大。3）当f f0 时，比 滞后小于270，,U3Ur时，A1输出为低电平；当UDUr时，A2输出为低电平；R置0端，S置1端使Q和 端输出高、低电平，通过R1和R2对C1和C2进行充放电。33初始状态:当有输入变化时，则：充电时间常数 使得c1、c2充电时间：T1T2,uA、uB脉冲宽度不再相等。Q和 输出是占空比随c而变的调宽脉冲波；经低通滤波器滤波后,输出平均电压uAB：u触发器输出的高电平34当传感器有输入时，由式（5-8）通常：可知调宽脉冲的平均电压uAB正比于电容传感器c的变化.对于变极距差动电容器：对于变面积电容传感器：3536tuAuAuBuBuABuABUcUCUDUDUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0374.5 4.5 运算放大器电路运算放大器电路 运算放大器测量电路运算放大器测量电路运算放大器测量电路运算放大器测量电路CxC0-A-AUiUoIiIxIC Cx x为传感器，为传感器，为传感器，为传感器，C C0 0为固定电容。为固定电容。为固定电容。为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、当运算放大器输入阻抗很高、当运算放大器输入阻抗很高、当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放增益很大时，可认为运算放增益很大时，可认为运算放增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据基大器输入电流为零，根据基大器输入电流为零，根据基大器输入电流为零，根据基尔霍夫定律，有：尔霍夫定律，有：尔霍夫定律，有：尔霍夫定律，有：38如果传感器是平行板电容，则：可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离d成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。上式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。4.6 电容传感器存在的问题及影响精度的原因电容传感器存在的问题及影响精度的原因 （1）温度对结构尺寸的影响 温度T变化，使电容器极距d，面积A发生变化，产生温度误差。（2）温度对介电系数的影响 T，C；空气和云母介电系数的温度系数近似为零。（3）绝缘问题：电容传感器电容量很小，从几个皮法到几百皮法，当电 源频率为几十KHz时，本身容抗达几兆欧几百兆欧；当 绝缘差时，相当于电容上并联了一个漏电阻。可提高电源频率，来降低内阻，但 f 太高易带来寄生电容和外界干扰。39 （4）屏蔽问题屏蔽问题：1）缩短传感器至测量线路前置级的距离，消除长电缆的影响。集成化、小型化、一体化。2）驱动电缆技术等电位屏蔽法。即采用双层屏蔽电缆，用一个K=1的电压跟随器使传 输电缆的芯线与内层屏蔽层等电位，消除芯线对内层屏蔽 层的容性漏电，外层屏蔽层接地。40（5）激励频率和传输电缆的影响）激励频率和传输电缆的影响 集肤效应在高频电路中存在高频电流集中于导线表 面流动的现象。频率越高，集肤效应越严重。f=1MHz时，层面：60m；f=500MHz时，层面：3 相当于导线直径减小，R 当f 较低，电缆的L和R可忽略。当激励频率f高时，等效电容CAB。等效电容 ，当，则 CAB （6）边缘效应）边缘效应：边缘效应使灵敏度降低，且产生非线性。4142 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。+-边缘效应:消除和减小边缘效应43 等等位位环环3 3与与电电极极2 2同同平平面面并并将将电电极极2 2包包围围，彼彼此此电电绝绝缘缘但但等等电电位位，使使电电极极1 1和和2 2之之间间的的电电场场基基本本均均匀匀，而而发发散散的的边边缘缘电电场场发发生生在在等等位位环环3 3外外周周不不影影响响传传感感器器两两极极板板间间电电场场。边边边边缘缘缘缘效效效效应应应应引引引引起起起起的的的的非非非非线线线线性性性性与与与与变变变变极极极极距距距距型型型型电电电电容容容容式式式式传传传传感感感感器器器器原原原原理理理理上上上上的的的的非非非非线线线线性性性性恰恰恰恰好好好好相相相相反反反反，在在在在一一一一定定定定程程程程度度度度上上上上起起起起了了了了补偿作用。补偿作用。补偿作用。补偿作用。可在结构上增设可在结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。来消除边缘效应。等位环等位环3 3+-图图图图4-26 4-26 4-26 4-26 带有等位环的平板式电容器传感器带有等位环的平板式电容器传感器带有等位环的平板式电容器传感器带有等位环的平板式电容器传感器电极电极1 1电极电极2 2 4.7 电容式传感器的应用电容式传感器的应用一、电容式微音器一、电容式微音器 由弹性膜与固定电极组成变极距型电容器。44 工作原理：工作原理：声压弹性膜变形dc，用于测量心音，心尖博动，动脉的脉动等。当电容量按 变化时，当 ，45 二二.电容式心输出量计：电容式心输出量计：46 三、电容式压差呼吸传感器三、电容式压差呼吸传感器 可测量流量、流速1流速压差变换：恒量，式中：流体密度流量：V1、V2、P1、P2、F1、F2分别为横截面I、II处的平均流速、静压力、截面积。只要测出P1、P2，算出V1、V2，就可求出流量：Q=F1V1=F2V247 2压差电信号变换 压力差膜片位移差动电容变化电信号。48 四、电容式加速度传感器49ADXL-50电容加速度传感器5051各种电容式传感器各种电容式传感器53电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器第 4 章作业42 如图所示运算放大器测量电路，Cx为变极距电容传感器电容，求输出电压U0以及灵敏度。5441 一差动电容接入变压器式交流电桥电路，如图所示，推导其输出电压U。的表达式。