电容式传感器资料

1、1、3.1静电容量式传感器，主要内容：1.静电容量式传感器的结构形式2 .测量电路交流桥3 .调制解调电路4 .应用，概念：静电容量式传感器是将测量的非电量变化转换成静电容量变化的传感器。 特点：结构简单，高分辨率，能进行非接触测量，能在高温、辐射和强振动等苛刻条件下工作，具有独特的优点。 随着集成电路技术和计算机技术的发展，它避开了长距离，成为了有前途的传感器。 应用：位移、加速度、液位、振动、湿度等。 另一方面，基本工作原理静电电容式传感器是具有可变参数的电容器。 大多数情况下，电容器由两个金属平行极板构成，如图所示以空气为介质。 由两个平行板构成的电容器的容量为：0为真空介电常数，值为8

2、.8510-12F/m r为相对介电常数。 第一节的工作原理和结构形式，当被测量参数变化而公式中的a、或d变化时，容量c也变化。 如果不改变其中的两个参数，只改变一个参数，就可以将该参数的变化转换为电容的变化，通过测量电路转换为电力输出。 因此，静电电容式传感器可分为变极间距型、变面积型、变介电体型三种。 改变平行极板间距d的传感器可以测量微米级的位移，而改变面积a的传感器适合测量厘米级的位移，介电常数式静电电容式传感器适合测量液面厚度。 变极间距(d )型： (a )、(e )变面积型(s )型： (b )、(c )、(d )、(f )、(g )、(h )变介电常数()型： (i)(l )、

3、二、结构形式、1、变极间距(间距)型电容器(非线性)、 电容器的静电容量，若电容器极板距离的初始值d0 DD减少，则静电容量DC增加，即上式、静电容量的相对变化量，若用、幂级数省略非线性项(高阶项)，则得到近似的线性关系式，静电电容传感器的灵敏度是静电电容传感器灵敏度系数k的物理意义，是基于单位位移的静电可见极间距越小，省略、高阶项(非线性项)引起的相对非线性误差越有利于灵敏度的提高和非线性的减少。 但是，如果d0太小，则容易引起电容器的破坏。 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，多采用差动结构。 改善破坏条件的方法是在极板间放置云母片等介电材料。 另外，在a、差动间隙式静电电容传感器差

4、动式静电电容传感器中，随着位移d变小，电容器C1的电容变大时，另外一个电容器C2的电容随着d变大而变小。 另外，在这些特性方程式中，总电容变化量电容的相对变化量省略了高次项，近似线性关系，因此，差动电容式传感器的灵敏度系数中，差动电容式传感器的相对非线性误差比单极式提高2倍，非线性误差大幅减少。 由于结构对称性，可以有效地补偿温度变化引起的误差。 加入，b，高介电常数材料-防止破坏，减小极间隙，灵敏度提高，但容易破坏。 因此，经常在两极板之间放入云母或塑料等介质，改变电容器的耐压性能。 由此，构成了图示的固定介质和可变间隙式静电电容传感器。 关系：气隙变小的话容量增加，容量的相对变化量为N1d

5、1/(d1 d2)1，随着厚度比d2/d1增加，N1增加。 在d2/d1大的情况下，n-1的极限为e2。在d2/d1不变化的情况下，n-1随着e2的增加而增加。 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压在1000 kV/mm以上，空气只有3kV/mm。 因此，有云母片，可以大幅度地减小极板间的开始距离。； 一般来说，极板间距离静电电容式传感器的起始容量必须在20100pF、极板间距离在25200m的范围内，最大位移必须在间距的1/10以下，因此最广泛地应用于微小位移测量。 改变平行极板间距d的传感器可以测定微米级的位移，2、变面积型电容器、板状线位移面积型、a、线位移型电容器极板的最初被复

6、面积为A=ab，在可动极板的长度方向上移动a时，改变两极板间的被复面积，无视边缘效应变化后的电容器电容的变化量的灵敏度系数KC为常数，可知如果减小极板的最初被复长度a，灵敏度就会提高，极板宽度b与灵敏度系数KC无关。 但是，a不能太小。 必须保证ad。 否则，边缘处的不均匀电场的影响会变大。 平板型极板线位移最不足的是移动极板的平行度要求较高，微小的倾斜使极间距离d发生变化，影响了测定精度。 因此，一般来说，变面积式的静电电容传感器多制作成圆柱式。同心圆筒形的线位移静电电容传感器，b，圆筒形的线位移静电电容传感器，在没有边缘效应的影响的情况下，圆筒形的电容器的静电电容，是式中的l 外圆筒和内圆

7、筒重叠的部分的长度，即r2外圆筒内径r 13354内圆筒外径。 可知，在可动极(圆柱)沿轴线Dl移动的情况下，电容的变化量采用差动结构，当可动极仅向上移动l时，上部的电容Ca增加，下部的电容Cb减少，输出成为差动形式，当电容的变化量变为2倍时，灵敏度也变为2倍。角位移面积型、c、角位移式静电电容传感器，在两半圆极板重叠时，静电电容是可动电极2的旋转角，静电电容变化时，静电电容的变化量则灵敏度系数是、3，介电常数变化型静电电容式传感器的厚度d2的介质(介电常数e2 )在电容器中移动时，电容器中在没有介质e2的情况下，在介质e2进入电容器的x的长度的情况下，上述的结论都忽略了边缘效应。 实际上，边

8、缘效应具有非线性，从而降低了灵敏度。 在可变介电常数式电容器传感器的极板间存在导电物质，在极板表面涂上绝缘层，防止极板短路，例如涂上厚度为0.1mm的特氟隆薄膜。右图是改变极板间介电体的静电电容式传感器测量液位高低的结构原理图。 设被测定介质介电常数为1、液面高度为h、变换器的总高度为h、内筒外径为d、外筒内径为d，则变换器的容量值为，式中：空气介电常数； 大、大、大、大、大、大、卡、空、空、空653、31，第二节静电电容式传感器的测量电路，主要作用：将传感器的电容变化转换为电压信号输出。 测量电路：最常用的是交流桥。 还包括信号放大部-交流放大电路、将交流信号转换为直流信号的部-解调电路、高

9、频噪声去除部-滤波电路等。电容式传感器测量电路32，在电桥平衡时，电流不流过零显示器，也就是说ab2点的电位在任何瞬间都相等，从欧姆定律来看：1，交流电桥，1 .交流电桥及其平衡条件，上式被称为交流电桥的平衡条件， 这是下面的2式：，振幅，初始相位，或或：、34，交流桥至少需要两个可调的标准元件，通常用一个可变电阻和一个可变电抗来调整交流桥的平衡交流桥平衡：与阻抗振幅的大小成比例，相位条件为：35，2 .古典交流桥，36，3 .交流桥与直流桥的对比，零漂移小，分析：直流放大器与交流放大器的差异，37，2，电容损耗角，电容器的复阻抗实际的电容器也是理想的电容器和电阻值的电阻串联连接，表示那时电容

10、器成为了理想的电容器。 因为一般是大的电阻值，所以正弦波交流通过时，电容器的两端电压和通过的电流的相位角不同，被称为39，在此称为电容器的损耗角，是测量实际电容器和理想电容器的差异的重要参数。 为了方便起见，一般用于表示电容器的损失。 当，40，电容桥，桥平衡时，求，平衡交流桥用于电容传感器的测定，41，电容桥，交流电源简化得到，桥输出：不平衡交流桥用于电容传感器的测定， 桥接输出信号是交流信号，被测量电容改变输出交流信号的振幅，因此，通过测量输出信号的振幅能够得到被测量电容的值。42、3、调制解调电路1、调制解调的功能和类型(概念)，(1)为什么在检测系统中采用信号调制？在检测系统中，除了从

11、传感器输出的测量信号之外，还存在各种噪声，进入检测电路。 传感器的输出信号一般很微弱，从含有噪声的信号中分离测量信号是检测电路的重要任务。 调制的主要作用是对测量信号给出一定的特征，以便于区分信号和噪声。 什么是信号调制？ 调制是用一个信号(称为调制信号)控制其他信号(称为载波信号)，使后者(载波信号)的某个特征参数以前者(调制信号)变化。 (3)什么是解调？ 在对测量信号进行调制、与噪声进行分离、放大等处理后，从调制后的信号中提取反映测量值的测量信号的过程被称为解调。 44，调制/解调电路的作用：2020/7/3，45，46，2，调制类型，47，a )幅度调制(AM )，b )频率调制(FM

12、 )，c )相位调制振幅调制信号波形首先向高频交流信号施加微弱的缓和信号，用交流放大器进行放大，最后从放大器的输出信号中取出放大后的缓和信号。 例：交流桥，振幅调制例，50，应变电阻的电阻变化量和被测定外力引起的应变的关系为：式中，s :应变计的灵敏度系数； r :应变片的初始电阻值。 因此，上面的方程表示在桥接幅度调制载波信号之后，输出的信号幅度表示馀弦载波信号的幅度被失真调制。 并且，振幅调制波的相位也随着调制信号的正负半周期的变化而变化：在调制信号为正的情况下，振幅调制波与载波同相，而在振幅调制波为负的情况下，振幅调制波与载波反相。 由，51，载波信号：一列占空比不同的矩形脉冲构成。脉冲宽度调制电路：(2)脉冲宽度调制，2020/7/3，52，3，解调原理不仅能把交流输入电压转换成与其振幅成比例的直流电压信号，还能反映交流输入电压的相位变化。 包络线检波将只要能检测振幅调制信号的包络线就能解调的方法称为包络线检波。 基于整流原理。 4、解调方法-包络检波和相敏检波、2020/7/3、54、b ) .相敏检波、包络检波有两个问题：一是不能识别调制信号的相位。 二是没有能力区分不同载波频率的信号。 相敏感检测电路是具有选择相位和频率的能力的检测电路。 5、作为解调电路的相敏感检测电路，如果此时g断开，n-1的放大率此时g接通，n-1的放大率为、栅极没有连