传感器第三章 电容式传感器

1、传感器第三章 电容式传感器第1页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日一、变面积型原理见图。第2页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日左图为角位移式电容传感器，当 时当 时由上式可见， 与 成线性关系。右图为直线位移式电容传感器，从图上可看出同样 与 成线性关系。第3页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日对于直线位移传感器其灵敏度当位移量 过大时边缘效益会使传感器的线性变坏。二、变介电常数型如图是一种变介电常数型的电容式传感器。气体介质部分电容量第4页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日液体介质部分第5页，共57页，

2、2022年，5月20日，21点34分，星期日总电容令得第6页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日下图，为另一种形式的变介电常数的传感器。第7页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日三、变极板间距型原理见图。设初始时极板间距为 ，初始电容为 ，则第8页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日当极板间距 减少 时，则电容量为将上式展开为级数第9页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日略去高次项，得非线性误差第10页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日这种传感器的灵敏度为了提高线性度，通常采用差动结构。如下图

3、第11页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日分析前面左图中的传感器，设动片上移，则 增大， 减小，若果初始电容都为 ，有因此差动输出为第12页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日略去高次项非线性误差为第13页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日一、等效电路等效电路如图。等效阻抗为3.2 电容式传感器的测量电路2006.9.22 JC204-第14页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日考虑并联电阻 很大，上式简化后，得等效电容式中因此实际的电容相对变化量为上式表明，传感器的输出与线路有关系。2007.9.20 JGL

4、X303-第15页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日二、测量电路（一）交流不平衡电桥设计交流电桥初始时处于平衡状态，其输出电压为零，即当桥臂阻抗 变化 时，其输出为令第16页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日第17页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日则上式，变为对于电容传感器，一般 可以认为是实数，因为 用指数形式表示第18页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日则 变为桥臂系数 的模和相角可以表示为在电容相对变化和电源电压一定的情况下，输出的信号的幅度决定于 ，输出的相位决定于 。 第19页，共57页，202

5、2年，5月20日，21点34分，星期日函数 和 的曲线如下图。第20页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日分析常用的不同形式的交流电桥。下图中由上面曲线知: 因此得第21页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日下图中由上面曲线知: 因此得对于差动电桥有第22页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日（二）二极管环形检波电路电路如图。整个电路分为5个主要部分：1.振荡器，产生激励电压通过变压器TP加到次级L1，L2；2.D1-D4组成的二极管环形检波器；3.稳幅放大器A1；4.比例放大器A2和电流转换器Q4；5.恒压恒流源Q2、Q3。第23页

6、，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日第24页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日第25页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日第26页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日由图中可以看出：经过运算放大器的负反馈作用，最终于是有第27页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日由于 ，由前式得由于二极管的检波作用于是对于运放A2第28页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日考虑运放的“虚短”效应于是如果是变间隙式差动电容，则第29页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日代

7、入前式得到如果是变面积式差动电容则第30页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日（三）差动脉冲宽度调制电路电路如图。第31页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日第32页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日前面图中：第33页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日设 ，得从上式可看出，不论是变间隙差动传感器还是变面积差动传感器输出也都是线性的。（四）运算法测量电路电路见下图。考虑运放的“虚断”“虚短”效应有第34页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日由于于是对于变间隙式传感器输出为线性，如果是变面积式传

8、感器，可以交换 和 ，于是同样输出与输入成线性关系。第35页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日可以实现调零的运算法电路如下。设电位器左右两边总电阻之比为则取得 第36页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日一、温度对结构尺寸的影响如图，随温度变化电容间距3.3 电容式传感器的误差分析第37页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日要实现温度补偿，只需考虑代入前式，得整理后由上式可以看出，温度误差与零件的几何尺寸，结构形式以及材料的温度系数有关。2006.9.25 JC204-第38页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日

9、二、电容器电场的边缘效应平板电容的计算公式是基于两极板间为匀强电场。当考虑电容边缘电场分布不均匀时，边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，会引起传感器的灵敏度下降和非线性增加。增大初始电容和增加等电位环可以改善边缘效应。第39页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日三、寄生与分布电容的影响电容式传感器除有极板间电容外，极板与周围物体也会产生电容，这种电容称为寄生电容。寄生电容极不稳定，要消除寄生电容可采用屏蔽措施，将电容器极板放置在屏蔽罩内，屏蔽罩接地。同样引出线也必须使用屏蔽线，同时屏蔽线也必须接地。第40页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日用于电容

10、式传感器输出的屏蔽线具有分布电容，该分布电容不仅与电缆本身的特性有关，而且与电缆的放置位置以及形状不同也有关系。解决电缆的电容影响的有效办法是驱动电缆技术。其基本原理是使电缆屏蔽层电位跟踪传感器电容输出极板的电位。下图为一种驱动电路。第41页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日下图为另一种驱动电路。图中第42页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日要求于是2007.9.23 JGLX303-第43页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日一、电容式压差变送器结构见下两图。3.4 电容式传感器的应用第44页，共57页，2022年，5月20日，

11、21点34分，星期日分析二室结构的压差变送器。参见下图第45页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日有前面图中可知：下面分析 的计算方法。有图上知考虑 有第46页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日第47页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日在球面上取一宽度为 ，长度为 的环形微元，该微元与可动极板初始位置的电容量为对上式积分得第48页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日感压膜片在压差 作用下，膜片上的挠度在挠曲面上，取宽度为 ，长度 的环形微元，其与动膜片的初始位置间电容为积分得第49页，共57页，2022年，5月

12、20日，21点34分，星期日将 与 的表达式代入前面二极管环形检波电路的输出电流表达式中，得将前面 与 代入上式，得令第50页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日则由上式可看出，输出电流与压差成线性关系。二、电容式测微仪见图，该方式测量微位移，量程可到100m左右，分辨率可以到0.01 m。第51页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日为了减小，圆柱探头的边缘效应，一般在探头外面再加一个等电位环，参见图。第52页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日电容测微仪整机框图见下。第53页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日三、电容式液位计电容式液位计原理见图。浸入液体中的导线以绝缘层为介质，与周围的液体构成圆柱形电容器。其容量第54页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日电容式液位计的一种测量电路如下图。第55页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日当输入方波由低电平变为高电平时，由A点到B点流动的电荷量当输入方波有高电平变为低电平时，由B点到A点流动的电荷量因此在一个充电周期内有B点流向A点的电荷量为设方波的频率为 ，则流过A、B端及电流表M支路的平均电流为第56页，共57页，2022年，5月20日，21点34分，星期日本章重点：1.变面积、变间距、变