第四章电容式传感器教材

1、l西南交通大学电气工程学院(学分: 2 学时: 32)主讲教师:华泽玺电话:87634161四章 电容式传感器1 1、电容公式、电容公式? ?2 2、其中可以改变的参数、其中可以改变的参数? ?3 3、可以应用的行业例子？、可以应用的行业例子？第四章 电容式传感器基本要求基本要求了解电容式传感器的工作原理和结构了解电容式传感器的工作原理和结构(主要是变间隙型主要是变间隙型)； 了解电容式传感器的测量电路了解电容式传感器的测量电路;掌握脉冲宽度调制电路方法掌握脉冲宽度调制电路方法 测量电路；测量电路； 了解电容式传感器的等效电路、应用中存在问题及解决办了解电容式传感器的

2、等效电路、应用中存在问题及解决办法。法。了解电容式传感器的测量电路、电容式传感器的简单应用。了解电容式传感器的测量电路、电容式传感器的简单应用。第三章 电容式传感器一、电容式传感器的工作原理和结构二、电容式传感器的等效电路三、电容式传感器的测量电路四、电容式传感器的应用举例五、第四次作业典型应用范围：差压、典型应用范围：差压、(角角)位移、振动、加速度、物位、位移、振动、加速度、物位、成分含量、层析成分含量、层析图图 电容式传感元件的各种结构形式电容式传感元件的各种结构形式ACr00rrRlCrln20变间隙型变面积型变介质型电电 容容式式传传感感器器)/1()/1(202000Ar时，当00

3、00000/)/1 (CCACr)/1 (000000AACCCrr000ACr121C2C)/1 (000000AACCCrr10001CC时，当1/0.13020000CC，00CC20200001ACCKr%100%100)(0020fe201S22110rrAC11r2210rAC11r2r20001CC0/0/CC放置了介质片的变极距型电容式传感器容量变化公式的推导放置了介质片的变极距型电容式传感器容量变化公式的推导1000011CACCC1000021CACCC12120201,02100AC 时，当1/0.13020001CC.13020002CC.22300021CCCC002

4、CCS%100)(%100)(2)(220030fe002CC00000)(llbCCCr00000lbCr00000blClCSrl0b00lACr00，0)1 (00ACCCr，0)1 (0C0CC)(2000rRlnlCr)()(2000rRlnllCCCr)1 (00llC00llCCRr0ll000212lbCCCr0201,000ACCCr0011C12l00002111lbCCCr2000022lbr2011C022000)(rRCCrBCAC0220)(2rRCCCrBCACrRlrCCrBCAC000rRlrCCCrBCAC02ABCROrrACBORl-初始位置时一组极板相

5、互覆盖有效面积所包含的角度。初始位置时一组极板相互覆盖有效面积所包含的角度。BACCC1211022111)(llbbl21010blC21212101001llCCCACBC12121l0ldrddAC)(021CCC)(2)()(2110100rRlnlrRlnll）（1)(2)(211000rRlnlrRlnl1nlmC1l2l0l10r2R2返回PRPCCsRL图中考虑了电容器的损耗和电感效应；图中考虑了电容器的损耗和电感效应；Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减这些损

6、耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。阻的损耗。电感电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。由电容器本身的电感和外部引线电感组成。 传感元件的有效电容传感元件的有效电容Ce可由下式求得可由下式求得(为了计算方为了计算方便，忽略便，忽略Rs和和Rp): 2222222)1 ()1 (11111LCCLCCLCLCCCLCCCjLjCjeeeLCCCCCe21d 当平行板的间距当平行板的间距d 远小于平行板的尺寸（半径、长远小于平行板的尺寸（半

7、径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。效应即可忽略。xC1UK1xC2xC3C4C3R4R1C三、三、电容式传感器的几个典型特点电容式传感器的几个典型特点 1. 1.高阻抗高阻抗 直流电阻趋于无穷大，交流阻抗直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/(1/( jC) )由于由于C一般较小，一般较小，当频率当频率不太高时交流阻也很大。不太高时交流阻也很大。 2.2.小功率小功率 视在功率视在功率PC=UI=U 2C，由于，由于C很小，则在很小，则在频率频率不太高不太高时时PC也很小。也很小。 3.3.存在静电吸引力存在静电吸引力

8、 由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。极间距测量时可能会引入附加误差。 4.4.测量回路通常要用交流回路。测量回路通常要用交流回路。返回一、调频电路一、调频电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分振回路的一部分, , 当输入量导致电容量发生变化当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但

9、此时系统是非线性的，不易校正，因的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频式测量电路原理框图。记录下来。调频式测量电路原理框图。 图中调频图中调频振荡器的振荡频率为振荡器的振荡频率为LCf21LCCCfx)(21210LCCCCfx)(2121LCf21xCCCC21振荡回路固有电容振荡回路固有电容引线分布电容引线分布电容传感器电容传感器电容0C0, 0 fC 0C0C二、调幅电路二、调幅电路1 1、二极管双、二极

10、管双T T形交流电桥形交流电桥 图是二极管双图是二极管双T T形交流电桥电路原理图。形交流电桥电路原理图。e e是高频电是高频电源，源， 它提供了幅值为它提供了幅值为U U的对称方波，的对称方波，VD1VD1、VD2VD2为特性完为特性完全相同的两只二极管，固定电阻全相同的两只二极管，固定电阻R R1=1=R R2=2=R R，C C1 1、C C2 2为传感为传感器的两个差动电容。器的两个差动电容。 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I2 2、运算放大器式电路、运算放大器式电路 由于运算放大器的放大倍数非常大，而

11、且输入阻抗由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗ZiZi很很高高, , 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。图是运算放大器式电路原理图想的测量电路。图是运算放大器式电路原理图, , 图中图中C Cx x为电为电容式传感器电容；容式传感器电容；U Ui i是交流电源电压是交流电源电压; ; U Uo o是输出信号电压是输出信号电压; ; 是虚地点。是虚地点。0IIxIiUscUKxC0CaaiUICjU001IIIx0axxSCUICjU1ixSCUCCU0aiUICjU001IIIx0axxSCUICjU1ACrx

12、00, 0IUaiZK,irSCUACU00三、脉冲宽度调制电路三、脉冲宽度调制电路0, 1QQ1, 0QQ0DrcUU 1A0CrDUU 2A0UrU1A2A1R2R1D2DQQRS1C2CABCD双稳触发器滤波器tttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00UtttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00U21CC 21CC 121212110UTTTUTTTUUUBA12121UTTTT121210UCCCCUrUUUlnCRT11111rUUUlnCRT11222112120UU112120UAAAAU0201，100UUAUAAU10返回C

13、BRR0C1C2C1L2L21CCCxFFP1P2P1C2C1C2C1C2Camabpp案例：案例：电容传声器电容传声器 案例案例: :液面高度测量液面高度测量1、基本要求、基本要求了解电容式传感器的工作原理和结构了解电容式传感器的工作原理和结构(主要是变间隙型主要是变间隙型)； 了解电容式传感器的测量电路了解电容式传感器的测量电路;掌握脉冲宽度调制电路方法掌握脉冲宽度调制电路方法 测量电路；测量电路； 了解电容式传感器的等效电路、应用中存在问题及解决办了解电容式传感器的等效电路、应用中存在问题及解决办法。法。了解电容式传感器的测量电路、电容式传感器的简单应用。了解电容式传感器的测量电路、电容

14、式传感器的简单应用。电容式传感器有哪些优点与缺点？电容式传感器有哪些优点与缺点？说明传感器的工作原理及其类型？说明传感器的工作原理及其类型？推导差动变间隙型电容传感器的灵敏度和非线性误差，推导差动变间隙型电容传感器的灵敏度和非线性误差，并与单一型传感器比较？并与单一型传感器比较？差动脉冲宽度调制电路的用于电容传感器测量电路，具差动脉冲宽度调制电路的用于电容传感器测量电路，具有什么特点？画出电容有什么特点？画出电容C1C2情况下情况下A、B、C、D各点和各点和输出输出U0的电压波形（可参看教案），并给出变间隙型差动的电压波形（可参看教案），并给出变间隙型差动电容传感器电压电容传感器电压U0 输出公式及所有推导过程。输出公式及所有推导过程。已知平板电容传感器极板间质介为空气，极板面积已知平板电容传感器极板间质介为空气，极板面积S=aa=(22)cm2,间隙间隙0=0.1mm。试求传感器的电容值；。试求传感器的电容值；若由于装配关系，两极板间不平行，一侧间隙为若由于装配关系，两极板间不平行，一侧间隙为0，而另，而另一侧间隙为一侧间隙为0+b(b=0.01mm)。求此时的传感器电容值。求此时的传感器电容值。变间距（变间距（）型平板电容传感器，当）型平板电容传感器，当0=1mm时，若要时，若要求测量线性度为求