传感器原理及应用-第5章

1、物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors主讲：王殿生 教授物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第五章第五章作 业第二版教材第二版教材102102页：页： 5-45-4，5-55-5，5-75-7（练习题）（练习题）第三版教材第三版教材99-10099-100页：页： 5-45-4，5-55-5，5-95-9（练习题）（练习题）物理科学与技术学院物理科学

2、与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第五章 电容式传感器 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用电容极板间介质的介电常数，电容极板间介

3、质的介电常数，0为真为真空介电常数，空介电常数，r极板间介质的相对介电常数；极板间介质的相对介电常数；A两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间两平行板之间的距离。的距离。 两个平行金属板组成的平板电容器，两个平行金属板组成的平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为不考虑边缘效应时电容量为 一、基本工作原理一、基本工作原理5.1 电容式传感器工作原理和结构dAdACr0d d极板极板1极板极板2被测参数变化被测参数变化A、d或或发生变化时，发生变化时，电容量电容量C也随之变化也随之变化。仅改变一个参数，仅改变一个参数，该参数的该参数的变化可转换为变化可转换为电容量的变化，通过测电

4、容量的变化，通过测量电路就可转换为电量量电路就可转换为电量输出。输出。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用电容式传感器电容式传感器的三种类型：的三种类型：变极距型、变面积型和变介电常数型。变极距型、变面积型和变介电常数型。一、基本工作原理一、基本工作原理5.1 电容式传感器工作原理和结构物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用若电容器极板间距离由初始若电容器极板间距离由初始值值d0缩小了缩小了d，电容量增大了，电容量增大了C，则有则有二、变极距

5、型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构200000000111 ddddCddCddSCCCrd/d01时，时，1-(d/d0)21，则，则000ddCCCC与与d近似呈线性关系。变极距近似呈线性关系。变极距型电容式传感器只有在型电容式传感器只有在d/d0很小很小时，才有近似的线性关系。时，才有近似的线性关系。1 1、基本输出特性、基本输出特性物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用电容的相对变化量为电容的相对变化量为 二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理

6、和结构0011ddCC当当|d/d0|1时，级数展开有时，级数展开有 输出电容的相对变化量与输输出电容的相对变化量与输入位移之间成非线性关系入位移之间成非线性关系。传感器的相对非线性误差：传感器的相对非线性误差： 2 2、非线性特性、非线性特性 30200001ddddddddCC%100%100|/|)/(0020dddddd物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用电容传感器的灵敏度为电容传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构001/ddCCK3 3、灵敏度、灵敏

7、度单位输入位移所引起的输出单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与电容相对变化的大小与d0呈反比呈反比关系。关系。 当当|d/d0|1时有近似线性关时有近似线性关系系 2 2、非线性特性、非线性特性00ddCC要提高灵敏度，应减小起始要提高灵敏度，应减小起始间隙间隙d0，但非线性误差却随着，但非线性误差却随着d0的减小而增大。的减小而增大。 一般变极板间距离电容式传一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在感器的起始电容在20100pF之间，之间，极板间距离在极板间距离在25200m的范围内。的范围内。最大位移应小于间距的最大位移应小于间距的1/10。变极距电容式传感器在微位变极距电容式传感

8、器在微位移测量中应用最广。移测量中应用最广。 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用在差动式平板电容器中，当动极在差动式平板电容器中，当动极板位移板位移d时，电容器时，电容器C1的间隙的间隙d1变为变为d0-d，电容器，电容器C2的间隙的间隙d2变为变为d0+d，则则 二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构在实际应用中，为了提高灵敏度，在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结减小非线性误差，大都采用差动式结构。构。4 4、差动式结构、差动式结构002001/

9、11/11ddCCddCCC1 d1C2 d2物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用电容值相对变化量为电容值相对变化量为 二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构40200012ddddddCC略去高次项，则略去高次项，则C/C0与与d/d0近似线性关系为近似线性关系为电容值总的变化量为电容值总的变化量为 4 4、差动式结构、差动式结构 503000212ddddddCCCCC1 d1C2 d2002ddCC物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXIT

10、EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用差动式传感器的灵敏度为差动式传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器二、变极距型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构差动式传感器的相对非线性误差差动式传感器的相对非线性误差近似为近似为 4 4、差动式结构、差动式结构%100%100|/|2|)/( |220030 ddddddC1 d1C2 d2002/ddCCK差动式结构的电容传感器非线性差动式结构的电容传感器非线性误差大大降低，灵敏度增加了一倍。误差大大降低，灵敏度增加了一倍。 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用两

11、种常用变面积型电容传感器：两种常用变面积型电容传感器：线位移式和角位移。线位移式和角位移。三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构axCCCCC000传感器传感器的电容量的电容量与水平位移呈线与水平位移呈线性关系性关系。 被测量通过动极板移动引起两极被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积改变，产生电容量的板有效覆盖面积改变，产生电容量的变化。当动极板相对于定极板平移变化。当动极板相对于定极板平移x时，则电容相对变化量为时，则电容相对变化量为 1 1、平行平板线位移式、平行平板线位移式物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEX

12、ITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用初始电容初始电容C0为为三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构LaCCCCC000传感器传感器的电容量与内筒线位移呈的电容量与内筒线位移呈线性关系。线性关系。 当覆盖长度变化时，电容量也随当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为之变化。当内筒上移为a 时，内外筒时，内外筒间的电容相对变化量为间的电容相对变化量为 2 2、同轴圆筒线位移式、同轴圆筒线位移式DdLadDLCln20物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用初始电容初始电

13、容C0为为三、变面积型电容传感器三、变面积型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构000CCCCC传感器传感器的电容量与角位移呈线性的电容量与角位移呈线性关系。关系。 当动极板有一个角位移当动极板有一个角位移时，与时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。电容从而改变了两极板间的电容量。电容相对变化量为相对变化量为 3 3、角位移式、角位移式000dAC物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用设固定极板长度为设固定极板长度为a、宽度为、宽度为b、两极、两极

14、板间的距离为板间的距离为d；被测物的厚度和介电常；被测物的厚度和介电常数分别为数分别为dx和和, 则则四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构传感器传感器的电容量与被测量物体的厚度的电容量与被测量物体的厚度和介电常数有关。和介电常数有关。当介电常数一定时，通过传感器电容当介电常数一定时，通过传感器电容量的变化测量物体的厚度。量的变化测量物体的厚度。 1 1、单组平板厚度式电容传感器、单组平板厚度式电容传感器 0321xxdddabCCCCdxCC1C2C3物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感

15、器原理及应用设极板宽度为设极板宽度为b，板间无介质，板间无介质2时，传感器的电容量时，传感器的电容量四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构121221111ddxlbddbxCCCBA传感器传感器的电容量与位移呈线性关系。的电容量与位移呈线性关系。 插入介质插入介质2 后的电容量后的电容量2 2、单组平板位移式电容传感器、单组平板位移式电容传感器 2110ddblCd21CBld12xCACACBC物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用设被测介质的介电常数为设被测介质的介电常数为

16、1，液面高，液面高度为度为h, 变换器总高度为变换器总高度为H，内筒外径为，内筒外径为d，外筒内径为外筒内径为D，变换器电容值为，变换器电容值为 四、变介质型电容传感器四、变介质型电容传感器5.1 电容式传感器工作原理和结构变换器的电容增量正比于被测液位高度变换器的电容增量正比于被测液位高度。3 3、测量液位圆筒式电容传感器、测量液位圆筒式电容传感器 dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21210111C2C1C物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第五章 电容式传感器 5.1 电

17、容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用考虑了电容器的损耗和电感效应，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。电容式传感器的等效电路。一、电容式传感器等效电路一、电容式传感器等效电路5.2 电容式传感器等效电路根据等效电路，电容式根据等效电路，电容式传感器有一个谐振频率，通传感器有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率常

18、为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏传感器正常作用。振频率破坏传感器正常作用。因此，工作频率应该选择低因此，工作频率应该选择低于谐振频率。于谐振频率。 并联损耗电阻并联损耗电阻Rp：表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。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。增高，容抗减小，影响就减弱。串联损耗电阻串联损耗电阻Rs：引线电阻、电容器支架和极板电阻引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。的损耗。电感电感L：电容器的电感和外部引线电感。电容器的电感和外部引线电感。 物理科学与

19、技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用与电感传感器不同，电与电感传感器不同，电容传感器中电容值和电容变容传感器中电容值和电容变化量都十分微小，难以直接化量都十分微小，难以直接为仪表所显示和记录。为仪

20、表所显示和记录。因此，需要一些测量电因此，需要一些测量电路检测出电容的微小变化量，路检测出电容的微小变化量，并转换成相应的电压、电流并转换成相应的电压、电流或频率输出。或频率输出。一、调频式测量电路一、调频式测量电路5.3 电容式传感器测量电路常用测量电路：常用测量电路：调频电路、运算放大器调频电路、运算放大器电路、二极管双电路、二极管双T形交流电形交流电桥、环形二极管充放电电路、桥、环形二极管充放电电路、脉冲宽度调制电路等。脉冲宽度调制电路等。Cxf振荡器振荡器uf限幅限幅放大器放大器uL鉴频器鉴频器调频测量电路中电容式传感器作为调频测量电路中电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分振荡器谐振

21、回路的一部分, 当输入量导当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。率就发生变化。若用频率直接作为测量系统的输出若用频率直接作为测量系统的输出量，来判断被测非电量的大小，具有非量，来判断被测非电量的大小，具有非线性、不易校正等问题。线性、不易校正等问题。因此，加入鉴频器，频率变化转换因此，加入鉴频器，频率变化转换为电压振幅变化来输出。为电压振幅变化来输出。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用调频振荡器的振荡频调频振荡器的振荡频率为率为 一、调频式测量电路一、调频式测量

22、电路5.3 电容式传感器测量电路调频测量电路具有较高的灵敏度，调频测量电路具有较高的灵敏度， 可测量高至可测量高至0.01m级位移变化量。级位移变化量。信号输出频率易于用数字仪器测量，信号输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，并与计算机通讯，抗干扰能力强， 可实可实现遥测遥控。现遥测遥控。 当被测信号不为当被测信号不为0时，时，C0，振荡，振荡器频率变化为器频率变化为 LCf21振荡回路的总电容，振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，C1为振荡回为振荡回路固有电容路固有电容, C2为传感器引为传感器引线分布电容线分布电容, Cx=C0C为为传感器的电容。传感器的电容。 当

23、被测信号为当被测信号为0时，时，C=0，则振荡器有一个固，则振荡器有一个固有频率为有频率为LCCCf)(210210ffLCCCCf0021)(21物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用运算放大器的放大倍数大，运算放大器的放大倍数大，输入阻抗高输入阻抗高, 可作为电容式传感可作为电容式传感器的理想测量电路。器的理想测量电路。二、运算放大器测量电路二、运算放大器测量电路5.3 电容式传感器测量电路运算放大器电路输出电压为运算放大器电路输出电压为 cxicxcbxcxcbiIIIICjIUCjIU0;ixoUCCU测量电路

24、测量电路输出电压的相位与电输出电压的相位与电源电压源电压的的反相。反相。设设Cx为电容式传感器电容；为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压是交流电源电压; Uo是输出信是输出信号电压号电压; 是虚地点。运算放大是虚地点。运算放大器输入电流可认为零，根据克器输入电流可认为零，根据克希荷夫定律有希荷夫定律有物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用平行平板电容传感器，则平行平板电容传感器，则二、运算放大器测量电路二、运算放大器测量电路5.3 电容式传感器测量电路实际上实际上运算放大器运算放大器测量电路仍测量电路仍然存在一定的非

25、线性。然存在一定的非线性。为保证仪器精度，除了要求运为保证仪器精度，除了要求运算放大器阻抗和放大倍数足够大外，算放大器阻抗和放大倍数足够大外，还要求电源电压的幅值和固定电容还要求电源电压的幅值和固定电容值非常稳定。值非常稳定。 dACxdACUUio运算放大器的输出电压与极运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系。板间距离成线性关系。在运算放大器的放大倍数和在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下，运输入阻抗无限大的条件下，运算放大器电路解决了变极距型算放大器电路解决了变极距型电容传感器的非线性问题。电容传感器的非线性问题。 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作E

26、XITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二极管双二极管双T形交流电桥电路中，形交流电桥电路中，e为高频电源，提供了幅值为为高频电源，提供了幅值为U的对的对称方波，称方波，VD1、VD2为特性完全相同为特性完全相同的两只二极管，的两只二极管，R1、R2为阻值相等为阻值相等的两个固定电阻，的两个固定电阻，C1、C2为传感器为传感器的两个差动电容。的两个差动电容。 三、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥5.3 电容式传感器测量电路（1）传感器没有输入）传感器没有输入C1=C2当当e为正半周时，二极管为正半周时，二极管VD1导导通、通、VD2截止，则电容截止，则电容C1被以极

27、短的被以极短的时间充电至时间充电至U。在前负半周时，电容。在前负半周时，电容C2已经充电至电压已经充电至电压U。1 1、电路基本结构、电路基本结构 2 2、基本工作原理、基本工作原理 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥5.3 电容式传感器测量电路（1）传感器没有输入时）传感器没有输入时C1=C2电源经电源经R1以以I1向向RL供电，而电容供电，而电容C2经电阻经电阻R2和负载电阻和负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的的电流为电流为I2。流过。流过RL的总电流的总电

28、流IL为为I1和和I2的的代数和。代数和。2 2、基本工作原理、基本工作原理 同理，当同理，当e为负半周时，流过负载电为负半周时，流过负载电阻阻RL的电流为的电流为I1和和I2的代数和。的代数和。根据所给的条件，在一个周期内流根据所给的条件，在一个周期内流过负载电阻上平均电流过负载电阻上平均电流I1=I2、I1=I2且方且方向相反，流过向相反，流过RL的平均电流为零。的平均电流为零。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥5.3 电容式传感器测量电路（2）传感器有输入时）

29、传感器有输入时C1C2若传感器输入不为若传感器输入不为0，则，则C1C2, I1I2, 在一个周期内通过在一个周期内通过RL上的平均上的平均电流不为零。因此，输出电压在一个电流不为零。因此，输出电压在一个周期内平均值为周期内平均值为 2 2、基本工作原理、基本工作原理 )()()2()()(121021CCUfRRRRRRRdttItITRIULLLLTLLo输出电压既与电源幅值和频率输出电压既与电源幅值和频率f 有有关，又与电容关，又与电容C1和和C2的差值有关。的差值有关。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、

30、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥5.3 电容式传感器测量电路（2）传感器有输入时）传感器有输入时C1C2当当RL一定时，引入常数一定时，引入常数M，在一，在一个周期内输出电压平均值可简写为个周期内输出电压平均值可简写为 2 2、基本工作原理、基本工作原理 )(21CCMUfUo当电源确定后，输出电压是电容当电源确定后，输出电压是电容C1和和C2的函数。的函数。（3）双）双T电路的特点电路的特点线路简单，可全部放在探头内，线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；容的影响；电源周期、幅值影响电源周期、幅值影响灵敏度，要求高

31、度稳定；灵敏度，要求高度稳定；输出阻抗与电容无关，输出阻抗与电容无关，克服了电容式传感器高内阻克服了电容式传感器高内阻的缺点；的缺点；适用于具有线性特性适用于具有线性特性的单组式和差动式传感器。的单组式和差动式传感器。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用在环形二极管充放电法测量在环形二极管充放电法测量电容电路中，高频方波信号源，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输出一个与被测电容成正比

32、的微安级电流。安级电流。四、环形二极管充放电测量电路四、环形二极管充放电测量电路5.3 电容式传感器测量电路1 1、电路基本结构、电路基本结构 输入方波加在电桥的输入方波加在电桥的A点和点和地之间，地之间，Cx为被测电容，为被测电容，Cd为平为平衡电容传感器初始电容的调零电衡电容传感器初始电容的调零电容，容，C为滤波电容，为滤波电容，A为直流电为直流电流表。流表。二极管双二极管双T形交流电桥的改进形交流电桥的改进物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1）当输入的方波由当输入的方波由E1跃变到跃变到E2时，电容时，电容

33、Cx和和Cd两端的电压皆由两端的电压皆由E1充充电到电到E2。电容电容Cx的充电电流为的充电电流为i1，Cd的充电的充电电流为电流为i3。在充电过程中。在充电过程中T1这段时间内，这段时间内，VD2、VD4一直处于截止状态，由一直处于截止状态，由A点向点向C点流动的电荷量为点流动的电荷量为四、环形二极管充放电测量电路四、环形二极管充放电测量电路5.3 电容式传感器测量电路在放电过程中在放电过程中T2这段时这段时间内，间内，VD1、VD3截止，由截止，由C点向点向A点流过的电荷量为点流过的电荷量为2 2、基本工作原理、基本工作原理 )(121EECqd（2）当输入的方波由当输入的方波由E2返回到

34、返回到E1时，时，Cx、Cd放电，两端的电压由放电，两端的电压由E2下下降到降到E1，放电电流分别为，放电电流分别为i2和和i4。)(122EECqx物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（3）设方波的频率设方波的频率f=1/T0即每秒即每秒钟要发生的充放电过程的次数，由钟要发生的充放电过程的次数，由C点点流向流向A点的平均电流为点的平均电流为I2, 从从A点流向点流向C点的平均电流为点的平均电流为I3, 流过从流过从C至至A支路的支路的瞬时电流平均值为瞬时电流平均值为四、环形二极管充放电测量电路四、环形二极管充放电测

35、量电路5.3 电容式传感器测量电路环形二极管充放电测量环形二极管充放电测量电路的输出电流电路的输出电流I正比于传感正比于传感器电容值的增量器电容值的增量Cx。 2 2、基本工作原理、基本工作原理 )()()(121232dxdxCCEfEEfCEEfCIII（4）令令Cx的初始值为的初始值为C0，Cx为为Cx的增量，的增量，Cx=C0+Cx。初始调节初始调节Cd=C0，则有，则有xdxCEfCCEfI)(物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用差动脉冲调宽电路，通过对差动脉冲调宽电路，通过对传感器电容的充放电，使电路输传

36、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出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。化而变化。通过低通滤波器，被测量的通过低通滤波器，被测量的变化转换为直流信号输出。变化转换为直流信号输出。五、脉冲宽度调制测量电路五、脉冲宽度调制测量电路5.3 电容式传感器测量电路当接通电源后，若触发器当接通电源后，若触发器Q端为高电平，则触发器通过端为高电平，则触发器通过R1对对Cx1充电。充电。2 2、基本工作原理、基本工作原理 1 1、电路基本结构、电路基本结构 Cx1、Cx2为差动式传感器的两为差动式传感器的两个电容；若用单组式，则其中一个电容；若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感

37、个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；器电容初始值相等；A1、A2是两是两个比较器，个比较器，Ur为其参考电压。为其参考电压。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用当当F点电位点电位UF升到与参考电压升到与参考电压Ur相等时，比较器相等时，比较器A1产生一脉冲产生一脉冲使触发器翻转，使使触发器翻转，使Q端为低电平。端为低电平。此时，电容此时，电容Cx1通过二极管通过二极管VD1迅迅速放电至零，而触发器经速放电至零，而触发器经R2向向C2充电。充电。五、脉冲宽度调制测量电路五、脉冲宽度调制测量电路5.3 电容式传

38、感器测量电路2 2、基本工作原理、基本工作原理 当当G点电位点电位UG与参考电压与参考电压Ur相等时，比较器相等时，比较器A2输出一脉冲使输出一脉冲使触发器翻转。此时，电容触发器翻转。此时，电容Cx2通过通过二极管二极管VD2迅速放电至零。迅速放电至零。如此交替激励。如此交替激励。因此，电路充放电的时间，因此，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受即触发器输出方波脉冲的宽度受电容电容Cx1、Cx2的调制。的调制。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1）当当Cx1=Cx2时，触发器两端电时，触发器两端电平的脉

39、冲宽度平的脉冲宽度T1和和T2相等，测量电路相等，测量电路在一个周期在一个周期T=T1+T2时间内输出平均电时间内输出平均电压为零。压为零。五、脉冲宽度调制测量电路五、脉冲宽度调制测量电路5.3 电容式传感器测量电路2 2、基本工作原理、基本工作原理 （2）当当Cx1Cx2时，时，C1和和C2充放电充放电时间常数发生变化，触发器两端电平时间常数发生变化，触发器两端电平的脉冲宽度的脉冲宽度T1和和T2不相等，测量电路不相等，测量电路在一个周期在一个周期T=T1+T2时间内输出平均电时间内输出平均电压为压为21211TTTTUUUUBAo物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作E

40、XITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用五、脉冲宽度调制测量电路五、脉冲宽度调制测量电路5.3 电容式传感器测量电路2 2、基本工作原理、基本工作原理 （3）在一个周期内输出平均电在一个周期内输出平均电压与传感器电容的关系为压与传感器电容的关系为12121UCCCCUxxxxo对差动变极距型平行板电容传感器有对差动变极距型平行板电容传感器有1012121UddUddddUo同理，变面积型电容传感器有同理，变面积型电容传感器有1012121UAAUAAAAUo因此，差动脉冲宽度调制电因此，差动脉冲宽度调制电路适用于差动电容式传感器，并路适用于差动电容式传感器，并具有理论上的线性特性

41、。具有理论上的线性特性。电路采用直流电源，电压稳电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解的要求，也不需要相敏检波与解调等；无元件线性要求；经低通调等；无元件线性要求；经低通滤波器可输出大的直流电压，对滤波器可输出大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。输出矩形波的纯度要求也不高。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5

42、.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用电子技术的发展，解决了电容式传电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器应用广泛。感器应用广泛。精确测量：精确测量：位移、厚度、角度、振位移、厚度、角度、振动等物理量；力、压力、差压、流量、动等物理量；力、压力、差压、流量、成分、液位等参数。成分、液位等参数。在自动检测与控制系统中也常常用在自动检测与控制系统中也常常用来作为来作为位置信号发生器位置信号发生器。 一、电容式压力传感器一、电容式压力传感器5.4 电容式传感器应用 P差动型电容式压力差动型电容式压力/压差传感器：压差传感器：当被测压力或压力差作用于膜片并当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，两个电容器的电容量，一产生位移时，两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。个增大，一个减小。电容值的变化经测量电电容值的变化经测量电路转换成与压力或压