4.电容式传感器[1]

1、2013-9-16n 第三章 电阻式传感器 应力和应变 应变片式传感器：n 原理、结构n 金属应变效应n 性能指标：灵敏系数、横向效应和温度特性 固态压阻式传感器n 压阻效应 电阻式传感器测量电路n 直流电桥 电阻式传感器的医学应用第四章 电容式传感器第一节 基本工作原理、结构及特点第二节 电容传感器的测量电路12013-9-16第一节 基本工作原理、结构及特点n 将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器器件 结构简单、适应性强 温度稳定性好 动态响应好 能够实现非接触式测量C = edS = e0derS (PF)C 电容量(PF)S 极板覆盖面积(cm2)d 极板间距(cm) 介质的介电

2、常数 0 真空介电常数r 介质的相对介电常数 电容式传感器 变间隙型 变面积型 变介质型 22013-9-16一、 变极距型电容传感器极板1初始状态C0 =eSdd极板2极板间距d增加dD C =e S-eS=eS -D d= C-Ddd + D dd d d + D d0 d + Dd n 电容的相对变化量DCDd Dd -1Dd= - 1 + -C0dd d n 灵敏度K = D C = C0 1 + Dd -1 e0 erSDd d d d2n 非线性误差r = D d / d 2 / D d / d 100% = D d / d 100%32013-9-16定极板初始位置时e Sd1

3、= d2 = dC0 =动极板C2d2d动极板下移时C1d1d1 = d- Dd定极板d2 = d + DdC =e S=eS 1= C1d - D dd 1 - D d1 - D d10ddC =e S=eS 1= C12d + D dd 1 + D d01 + D ddd差动电容器传感器的输出 D dD d 3Dd 5D C = C1 - C2= C0 2+2 + 2+ ddd DC2Dd Dd 2Dd 42Dd电容的相对变化量=1+ + + Cdddd0DCC0e0 erS灵敏度K = 2= 2Dddd2r =D d / d3/D d / d 10 0%非线性误差=D d / d2 1

4、00%42013-9-16二、 变面积型电容传感器 动片定片（a）角位移式eS角位移式 q = 0C0 =deS 1 - qq 0C q =(p)= C0 (1 - q p)dLb L（b）直线位移式D L = 0C =eS=ebL直线位移式0ddD L 0C q =eb( L - DL)= C01 -DL dL 52013-9-16同心圆筒形线位移电容式传感器 初始电容C0为：D1C = 2pe0er L , C =er L( L / cm ; C / pF )a00lnD01.80lnD0D1D1LL ：筒长当覆盖长度变化时，电容量也D0随之变化。当内筒上移为a 时，圆柱形电容式线位移传感

5、器内外筒间的电容C1为：C =2pee( L - a)= Ca , 与a成线性关系。0r1-D01ln0L D162013-9-16三、 变介质型电容传感器变介质型电容传感器厚度传感器设固定极板长度为L、宽度为b、两极板间的距离为；x被测物的厚度和它的介电常数分别为x和 ,则C =abC1CC( d - dx )dxC2e +e3072013-9-16变介质型电容传感器线位移传感器C2C1插入介质前1d00bLdC= e100 d + dxL10插入介质后C = C1 + C2C2C1C= bx1+ b ( L - x)1d+dd+ d0110e0ee01变介质型电容传感器液位传感器2RC =

6、2 p e 0 H+2 p (e1 - e 0) h= K + B h2r R Rl n l nrH rhK =2 p e 0 HRl n rB =2 p ( e 1-e 0 )R l n rC1C2C82013-9-16例题n 置于某储存罐的电容式液位传感器由半径为20mm和4mm的两个同心圆柱体组成，并于存储罐等高。存储罐也是圆柱体，半径为25cm，高为1.2m，被储存液体的介电常数为2.1.试计算传感器的最大电容和最小电容以及传感器用在该存储器内时的灵敏度。第二节 电容传感器的测量电路n 调幅测量电路 交流电桥 运算放大电路测量电路n 脉冲调制测量电路 二极管T形网络 脉冲宽度调制电路n

7、 调频测量电路92013-9-16交流电桥Z1Z4 = Z2 Z3平衡条件z1z2Uo = 0abUO在正弦交流情况下，桥臂阻z3z4抗可以写成复数的形式dZ=R+jX=ZejU若将电桥的平衡条件用复数的指数形式表示Z1ej1Z4ej4=Z2ej2Z3ej3根据复数相等的条件Z1Z4=Z2Z31+4=2+3交流电桥z1z2Z1Z4=Z2Z3ab1+4=2+3UOz3z4相对桥臂上阻抗幅模的乘积相等；相对桥臂上阻抗幅角d之和相等。U如果相邻两臂接入纯电阻，则另外相邻两臂也必须接入相同性质的阻抗。如果相对桥臂接入纯电阻，则另外相对两桥臂必须为异性阻抗。102013-9-16交流电桥z1z2电容传感

8、器阻抗变化Z1，桥aZ1+ Z1b路失去平衡，根据分压原理，UO其输出电压为：z3z4Z1 + DZ1Z3 dUo = - UU Z1+ D Z1 + Z2Z3+Z4 Z1Z 4 = Z2 Z3传感器阻抗相对变化量b = DZ1 Z DC11C1为一个实数，其与电容器阻抗变化为线性关系桥臂比 A = Z1 Z2 = Z1 e jf1 Z2 e jf2 = aejq a = Z1 Z2q = f1 - f2112013-9-16桥臂系数Aejf()K =K= fa,q(1 + A)2a1 ()K= fa,q1 + 2acos q + a21 - a2)sinqf = tg-1(= f a,q()

9、cosq2 ( )2a + 1 + a2122013-9-16变压器电容电桥C1变压器电容电桥使Us用元件最少，桥路内阻最小，因此目C2Uo前较多采用变压器式交流电桥差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移均成线性关系 C1相敏放大滤波器C2检波USC振荡器电桥测量电路1.为了保证线性，传感器要工作在平衡位置附近2.必须接高输入阻抗放大器3.通过相敏检波和滤波器来判断输入信号极性132013-9-16DBCAE（1）信号输入端（2）交流参考电压输入端（3）信号输出端（4）直流参考电压输入端（5）、（6）附加观察插口142013-

10、9-16运算放大器测量电路Cx0x-AUiIUoIi当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零现有一只电容位移传感器，其结构如图 (a)所示。已知=25mm，R=6mm，r=2mm。其中圆柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，CBC构成一个固定电容CF，CAC是随活动屏蔽套筒伸人位移量x而变的可变电容CX。并采用理想运放检测电路如图 (b)所示，其信号源电压有效值USC=6V。问：n 在要求运放输出电压USC与输入位移x成正比时，标出CF和CX在（b）图应连接的位置；n 求该电容传感器的输出电容位移灵敏度KC是多少？n 求该电容传感器的输出电压位移灵敏度K

11、V是多少？152013-9-16二极管双T型电路162013-9-16172013-9-16差动脉冲调宽电路+D1FA1SQ-AR1C双稳态1U0触发器Ur+BR2C2A2RQG-D2182013-9-16C1、C2的充电时间T1、T2为：T1= R1C1 lnU1U1-UrT2= R2C2 lnU1（3- 26）U1 -UrA、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于只取A、B两点电压的直流分量TTU A = T1 +1 T2 U1 ，U B = T1 +2T2 U1UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；U= U-U=T1U-T2U=T1 - T2U（3 - 27）T + TT+ TT + T0AB111121212设R1R2R，则C1 - C2U0 =U1（3 - 28）C1 + C2说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。192013-9-16对于差动式变极距型电容传感器：U 0 = Dd U1 d0对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为 S，则滤波器输出为：U0 = DS U1S020调频测量电路2013-9-16引线分布电容f =12p LCC = C0 + Cp + Cg振荡回路固有电容1传感器电容f 0 =2p (C0 + C p + Cg )L