第四章 电容式传感器及其信号调理 41 电容式传感器的工作原理.ppt
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1、第四章 电容式传感器及其信号调理 4.1 电容式传感器的工作原理 4.2 电容式传感器的传感特性 4.3 电容式传感器的等效电路 4.4 电容式传感器的信号调理 4.5 电容式传感器的典型应用举例Sd01208.85 10F/mr4.1 4.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理4.1.1 4.1.1 传感原理:传感原理:由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为 dSdSCr0极板面积(m2);极板间距离(m);真空介电常数,介质的相对介电常数。 图4-1 平行板电容器4.1.2 4.1.2 基本结构基本结构电容式传感器可分为变间隙式、 变面积式
2、和变介电常数式三种。图4-2 变间隙式电容传感器图4-3变面积式电容传感器示意图图4-4 变介电常数式电容传感器示意图x0 x4.2.1 4.2.1 变间隙型电容传感器变间隙型电容传感器当r和S为常数,初始极距为d0时4.2 4.2 传感特性传感特性000dSdSCr设动极板2位移 ,参考方向为向上运动,即动极板2上移,动极板2下移, 。则电容量为0 x2000000)(111/dxdxCdxdSxdSdSC按泰勒级数展开)()(1 30200000dxdxdxdxCCCC00dxCC近似为00dCxC灵敏度但d0过小,易引起电容器击穿或短路。为此,极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等
3、)作介质。gdgd00图 放置云母片的电容器差动电容传感器:当动极板移动时,取其电容差值20000021)(12dxdxCxdSxdSCCC00212dxCCCC00dSCCC4.2.2 4.2.2 变面积式电容式传感器变面积式电容式传感器 当动极板相对于定极板沿长度方向平移S时,则电容变化量为 灵敏度为 很明显,这种形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 000)(dSdSdSSC0dSC变面积型电容传感器原理图变面积型电容传感器原理图 bxadxS电容式角位移传感器原理图 动 极 板定 极 板4.2.3 4.2.3 变介质式电容式传感器变介质式电容式传感器 面积S与介电常数的位置是
4、等价的,因此当介电常数的变化量为时,电容量的变化量为 00dSCCC0dSC灵敏度为 变介质型电容传感器有较多的结构形式,可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度,也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。 变介质型电容式传感器 L0Ld0r1r24.3 4.3 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路 其中L为传输线的电感;R为传输线的有功电阻;C为传感器的电容;Cp为A、B两端间的寄生电容;Rp为极板间等效漏电阻,它包括两个极板支架上的有功损耗及极间介质有功损耗。A、B两端间的等效电容为 )(12ppeCCLCCC)(12peCCLCC应保证激励频率的稳定性。在较高激励频率下
5、使用电容传感器时,每当改变激励频率或者更换传输电线时都必须对测量系统重新进行标定。 4.4 4.4 电容式传感器的信号调理电容式传感器的信号调理4.4.1 4.4.1 交流电桥电路交流电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂,另两个臂可以是电阻或电容或电感,也可以是变压器的两个二次线圈。变压器电桥使用元件少、桥路内阻小,应用较为普遍。图4-6 变压器式电桥线路方框图1 1 变压器式交流电桥变压器式交流电桥图4-7 变压器式电桥等效电路图2 2 紧耦合比率臂交流电桥紧耦合比率臂交流电桥图4-8 紧耦合电感比率臂电桥图4-9 紧耦合电感比率臂电桥等效电路12
6、1312121212)1 (22)1 (ZKZZZKZZZKZKLjMjZLjZZZspspps图4-8与图4-9电路参数之间的对应关系为1K0K当 、负载阻抗为无穷大时 22421oCLCUECLC当 、负载阻抗为无穷大时 2222(1)oCLCUECLC图4-10 用紧耦合与不耦合电感作桥臂时的灵敏度4.4.2 4.4.2 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,而且输入阻抗Zi很高, 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。图4-11 运算放大器电路dSCuCCuuoixoio 【例【例4-24-2】 现有一只020mm的电容式位移传感器,其
7、结构如图例4-2所示,已知L=25mm,R16mm,R2=5.7mm,r=4.5mm,CBC构成固定电容CF,CAC随活动导杆的深入而变化构成传感电容Cx ,拟采用理想运放电路,试回答: 1)要求运放输出电压与输入位移x成正比,在运放线路中CF与Cx应如何连接? 2)活动导杆每深入lmm所引起的电容变化量为多少? 3)输入电压U=6v时,位移为1mm,输山电压U0为多少?n解:1)为了使U0=f(x)呈线性关系,CF与Cx要分别接在理想运放的反馈支路和输入支路,即CF要接在图4-11 Cx的位置,Cx接在图4-11 C0的位置,C端接运算放大器反相输入端,D端接运算放大器同相输入端且接地。按理
8、想运算放大器的条件,可得特性式 FXXFOCCZZUU 0121 2.5pF4.828pF6.01.8lnln4.5rFLCRr 1()(4.8280.193 )pF1.8lnrxLxCxRrFxOCUCU/OUCx与x成比例。因此, 与x成比例 0.1930.193pFxCx 4.8280.193/6V5.76V4.828OxFUUCC 2)当x=1mm时, 3)当U=6V时, 4.4.3 4.4.3 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路图4-12 脉冲宽度调制电路原理图推导电路中A、B两点之间的电压的直流分量为 12121UCCCCUo当差动电容传感器为变间隙式时 101121212121Ud
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