传感器第三章 电容式传感器优秀PPT.ppt

《传感器第三章 电容式传感器优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器第三章 电容式传感器优秀PPT.ppt（57页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、传感器第三章传感器第三章 电容电容式传感器式传感器第1页，本讲稿共57页一、变面积型一、变面积型一、变面积型一、变面积型原理见图。原理见图。原理见图。原理见图。第2页，本讲稿共57页左图为角位移式电容传感器，当左图为角位移式电容传感器，当 时时当当当当 时时时时由上式可见，由上式可见，由上式可见，由上式可见，与与与与 成线性关系。成线性关系。成线性关系。成线性关系。右图为直线位移式电容传感器，从图上可看出右图为直线位移式电容传感器，从图上可看出右图为直线位移式电容传感器，从图上可看出右图为直线位移式电容传感器，从图上可看出同样同样同样同样 与与与与 成线性关系。成线性关系。成线性关系。成线性关

2、系。第3页，本讲稿共57页对于直线位移传感器其灵敏度对于直线位移传感器其灵敏度对于直线位移传感器其灵敏度对于直线位移传感器其灵敏度当位移量当位移量当位移量当位移量 过大时边缘效益会使传感器的线性变坏。过大时边缘效益会使传感器的线性变坏。过大时边缘效益会使传感器的线性变坏。过大时边缘效益会使传感器的线性变坏。二、变介电常数型二、变介电常数型二、变介电常数型二、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，本讲稿共57页液体介质部分液体介质部分第5页，本讲稿共57页总电容总电容总电容总电容令令得得得得第6页，本讲

3、稿共57页下图，为另一种形式的变介电常数的传感器。下图，为另一种形式的变介电常数的传感器。下图，为另一种形式的变介电常数的传感器。下图，为另一种形式的变介电常数的传感器。第7页，本讲稿共57页三、变极板间距型三、变极板间距型三、变极板间距型三、变极板间距型原理见图。设初始时极板间距为原理见图。设初始时极板间距为原理见图。设初始时极板间距为原理见图。设初始时极板间距为 ，初始电容为，初始电容为，初始电容为，初始电容为 ，则，则，则，则第8页，本讲稿共57页当极板间距当极板间距当极板间距当极板间距 减少减少减少减少 时，则电容量为时，则电容量为时，则电容量为时，则电容量为将上式展开为级数将上式展开

4、为级数第9页，本讲稿共57页略去高次项，得略去高次项，得略去高次项，得略去高次项，得非线性误差非线性误差第10页，本讲稿共57页这种传感器的灵敏度这种传感器的灵敏度这种传感器的灵敏度这种传感器的灵敏度为了提高线性度，通常采用差动结构。如下图为了提高线性度，通常采用差动结构。如下图为了提高线性度，通常采用差动结构。如下图为了提高线性度，通常采用差动结构。如下图第11页，本讲稿共57页分析前面左图中的传感器，设动片上移，则分析前面左图中的传感器，设动片上移，则分析前面左图中的传感器，设动片上移，则分析前面左图中的传感器，设动片上移，则 增大，增大，增大，增大，减小，若果初始电容都为减小，若果初始电

5、容都为减小，若果初始电容都为减小，若果初始电容都为 ，有，有，有，有因此差动输出为因此差动输出为因此差动输出为因此差动输出为第12页，本讲稿共57页略去高次项略去高次项略去高次项略去高次项非线性误差为非线性误差为非线性误差为非线性误差为第13页，本讲稿共57页一、等效电路一、等效电路等效电路如图。等效阻抗为等效电路如图。等效阻抗为等效电路如图。等效阻抗为等效电路如图。等效阻抗为3.2 3.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路2006.9.22 JC204-2006.9.22 JC204-第14页，本讲稿共57页考虑并联电阻考虑并联电阻 很大，上式简化后，得等效电容很大，上式简化后，

6、得等效电容式中式中式中式中因此实际的电容相对变化量为因此实际的电容相对变化量为因此实际的电容相对变化量为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。上式表明，传感器的输出与线路有关系。上式表明，传感器的输出与线路有关系。上式表明，传感器的输出与线路有关系。2007.9.20 JGLX303-2007.9.20 JGLX303-第15页，本讲稿共57页二、测量电路二、测量电路二、测量电路二、测量电路（一）交流不平衡电桥（一）交流不平衡电桥（一）交流不平衡电桥（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，即设计交流电桥初始时处于平衡状态，其输出电压为零，即设

7、计交流电桥初始时处于平衡状态，其输出电压为零，即设计交流电桥初始时处于平衡状态，其输出电压为零，即当桥臂阻抗当桥臂阻抗当桥臂阻抗当桥臂阻抗 变化变化变化变化 时，其输出为时，其输出为时，其输出为时，其输出为令令第16页，本讲稿共57页第17页，本讲稿共57页则上式，变为则上式，变为对于电容传感器，一般对于电容传感器，一般对于电容传感器，一般对于电容传感器，一般 可以认为是实数，因为可以认为是实数，因为可以认为是实数，因为可以认为是实数，因为 用指数形式表示用指数形式表示用指数形式表示用指数形式表示第18页，本讲稿共57页则则 变为变为桥臂系数桥臂系数桥臂系数桥臂系数 的模和相角可以表示为的模和

8、相角可以表示为的模和相角可以表示为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，输出的相位决定于，输出的相位决定于，输出的相位决定于 。第19页，本讲稿共57页函数函数函数函数 和和和和 的曲线如下图。的曲线如下图。的曲线如下图。的曲线如下图。第20页，本讲稿共57页分析常用的不同形式的交流电桥。下图中分析常用的不同形式的交流电桥。下图中分析常用的不同形式的交流

9、电桥。下图中分析常用的不同形式的交流电桥。下图中由上面曲线知由上面曲线知由上面曲线知由上面曲线知:因此得因此得第21页，本讲稿共57页下图中下图中由上面曲线知由上面曲线知由上面曲线知由上面曲线知:因此得因此得因此得因此得对于差动电桥有对于差动电桥有对于差动电桥有对于差动电桥有第22页，本讲稿共57页（二）二极管环形检波电路（二）二极管环形检波电路电路如图。整个电路分为电路如图。整个电路分为电路如图。整个电路分为电路如图。整个电路分为5 5个主要部分：个主要部分：1.振荡器，产生激励电压通过变压器振荡器，产生激励电压通过变压器振荡器，产生激励电压通过变压器振荡器，产生激励电压通过变压器TPTP加

10、到次级加到次级加到次级加到次级L1，L2；2.D1-D42.D1-D4组成的二极管环形检波器；组成的二极管环形检波器；组成的二极管环形检波器；组成的二极管环形检波器；3.3.稳幅放大器稳幅放大器稳幅放大器稳幅放大器A1A1；4.比例放大器比例放大器A2A2和电流转换器和电流转换器Q4Q4；5.恒压恒流源恒压恒流源恒压恒流源恒压恒流源Q2、Q3。第23页，本讲稿共57页第24页，本讲稿共57页第25页，本讲稿共57页第26页，本讲稿共57页由图中可以看出：由图中可以看出：由图中可以看出：由图中可以看出：经过运算放大器的负反馈作用，最终经过运算放大器的负反馈作用，最终于是有于是有于是有于是有第27

11、页，本讲稿共57页由于由于 ，由前式得，由前式得由于二极管的检波作用由于二极管的检波作用由于二极管的检波作用由于二极管的检波作用于是于是对于运放对于运放对于运放对于运放A2第28页，本讲稿共57页考虑运放的考虑运放的考虑运放的考虑运放的“虚短虚短虚短虚短”效应效应效应效应于是于是于是于是如果是变间隙式差动电容，则如果是变间隙式差动电容，则如果是变间隙式差动电容，则如果是变间隙式差动电容，则第29页，本讲稿共57页代入前式得到代入前式得到代入前式得到代入前式得到如果是变面积式差动电容如果是变面积式差动电容如果是变面积式差动电容如果是变面积式差动电容则则第30页，本讲稿共57页（三）差动脉冲宽度调

12、制电路（三）差动脉冲宽度调制电路（三）差动脉冲宽度调制电路（三）差动脉冲宽度调制电路电路如图。电路如图。电路如图。电路如图。第31页，本讲稿共57页第32页，本讲稿共57页前面图中：前面图中：第33页，本讲稿共57页设设设设 ，得，得，得，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。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。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。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（四）运算法测量电路（四）运算法测量电路（

13、四）运算法测量电路电路见下图。考虑运放的电路见下图。考虑运放的电路见下图。考虑运放的电路见下图。考虑运放的“虚断虚断虚断虚断”“”“虚短虚短虚短虚短”效应有效应有效应有效应有第34页，本讲稿共57页由于由于由于由于于是于是对于变间隙式传感器输出为线性，如果是变面积式传感器，可以交换对于变间隙式传感器输出为线性，如果是变面积式传感器，可以交换对于变间隙式传感器输出为线性，如果是变面积式传感器，可以交换对于变间隙式传感器输出为线性，如果是变面积式传感器，可以交换 和和和和 ，于是，于是，于是，于是同样输出与输入成线性关系。同样输出与输入成线性关系。同样输出与输入成线性关系。同样输出与输入成线性关系

14、。第35页，本讲稿共57页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则取取得得得得 第36页，本讲稿共57页一、温度对结构尺寸的影响一、温度对结构尺寸的影响一、温度对结构尺寸的影响一、温度对结构尺寸的影响如图，随温度变化电容间距如图，随温度变化电容间距如图，随温度变化电容间距如图，随温度变化电容间距3.3 3.3 电容式传感器的误差分析电容式传感器的误差分析第37页，本讲稿共57页要实现温度补偿，只需要实

15、现温度补偿，只需要实现温度补偿，只需要实现温度补偿，只需考虑考虑考虑考虑代入前式，得代入前式，得整理后整理后整理后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。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。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。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 JC204-2006.9.25 JC204-第38页，本讲稿共57页二、电容器电场的边缘效应二、电容器电场的边缘效应二、电容器电场的边缘效应二、电容器电场的边缘效应

16、平板电容的计算公式是平板电容的计算公式是平板电容的计算公式是平板电容的计算公式是基于两极板间为匀强电基于两极板间为匀强电基于两极板间为匀强电基于两极板间为匀强电场。当考虑电容边缘电场。当考虑电容边缘电场。当考虑电容边缘电场。当考虑电容边缘电场分布不均匀时，边缘场分布不均匀时，边缘场分布不均匀时，边缘场分布不均匀时，边缘效应相当于传感器并联效应相当于传感器并联效应相当于传感器并联效应相当于传感器并联了一个附加电容，会引了一个附加电容，会引了一个附加电容，会引了一个附加电容，会引起传感器的灵敏度下降起传感器的灵敏度下降起传感器的灵敏度下降起传感器的灵敏度下降和非线性增加。和非线性增加。和非线性增加

17、。和非线性增加。增大初增大初增大初增大初始电容始电容和增加和增加和增加和增加等电位环等电位环可以改善边缘效应。可以改善边缘效应。可以改善边缘效应。可以改善边缘效应。第39页，本讲稿共57页三、寄生与分布电容的影响三、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寄生电寄生电寄生电容容容容。寄生电容极不稳定，要消除寄生电容可采用屏蔽措施，将

18、电容器极板放置在。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屏蔽罩屏蔽罩屏蔽罩内，屏蔽罩内，屏蔽罩内，屏蔽罩内，屏蔽罩接地接地接地接地。同样引出线也必须使用屏蔽线，同时屏蔽线也必须接地。同样引出线也必须使用屏蔽线，同时屏蔽线也必须接地。同样引出线也必须使用屏蔽线，同时屏蔽线也必须接地。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，本讲稿共57页用于电容式传感器输出的屏蔽线具有用于电容式传感器输出的屏蔽线具有用于电容式传感器输出的屏蔽线具有用于电容式传感器输出的屏蔽线具有分布电容分布电容，该分布电容不仅与电缆本身的特性有关，该分布电容不仅与电缆本身的特

19、性有关，该分布电容不仅与电缆本身的特性有关，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驱动电缆技术驱动电缆技术驱动电缆技术。其基本原理是使电缆。其基本原理是使电缆。其基本原理是使电缆。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。下图为

20、一种驱动电路。第41页，本讲稿共57页下图为另一种驱动电路。下图为另一种驱动电路。下图为另一种驱动电路。下图为另一种驱动电路。图中图中图中图中第42页，本讲稿共57页要求要求要求要求于是于是于是于是2007.9.23 JGLX303-2007.9.23 JGLX303-第43页，本讲稿共57页一、电容式压差变送器一、电容式压差变送器结构见下两图。结构见下两图。结构见下两图。结构见下两图。3.4 3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用第44页，本讲稿共57页分析二室结构的压差变送器。参见下图分析二室结构的压差变送器。参见下图分析二室结构的压差变送器。参见下图分析二室结构的压差变送器。参见下

21、图第45页，本讲稿共57页有前面图中可知：有前面图中可知：有前面图中可知：有前面图中可知：下面分析下面分析 的计算方法。的计算方法。有图上知有图上知有图上知有图上知考虑考虑考虑考虑 有有有有第46页，本讲稿共57页第47页，本讲稿共57页在球面上取一宽度为在球面上取一宽度为在球面上取一宽度为在球面上取一宽度为 ，长度为，长度为，长度为，长度为 的环形微元，该微元与可动极板初始位置的电容量的环形微元，该微元与可动极板初始位置的电容量的环形微元，该微元与可动极板初始位置的电容量的环形微元，该微元与可动极板初始位置的电容量为为为为对上式积分得对上式积分得第48页，本讲稿共57页感压膜片在压差感压膜片

22、在压差 作用下，膜片上的挠度作用下，膜片上的挠度在挠曲面上，取宽度为在挠曲面上，取宽度为在挠曲面上，取宽度为在挠曲面上，取宽度为 ，长度，长度，长度，长度 的环形微元，其与动膜片的初始位置间电容为的环形微元，其与动膜片的初始位置间电容为的环形微元，其与动膜片的初始位置间电容为的环形微元，其与动膜片的初始位置间电容为积分得积分得积分得积分得第49页，本讲稿共57页将将将将 与与与与 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，得的表达式代入前面二极管环形检波电路的输出电流表达

23、式中，得将前面将前面将前面将前面 与与与与 代入上式，得代入上式，得代入上式，得代入上式，得令令令令第50页，本讲稿共57页则则则则由上式可看出，输出电流与压差成线性关系。由上式可看出，输出电流与压差成线性关系。由上式可看出，输出电流与压差成线性关系。由上式可看出，输出电流与压差成线性关系。二、电容式测微仪二、电容式测微仪二、电容式测微仪二、电容式测微仪见图，该方式测量微位见图，该方式测量微位见图，该方式测量微位见图，该方式测量微位移，量程可到移，量程可到100100mm左右，分辨率可以到左右，分辨率可以到左右，分辨率可以到左右，分辨率可以到0.01 m。第51页，本讲稿共57页为了减小，圆柱

24、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。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，本讲稿共57页电容测微仪整机框图见下。电容测微仪整机框图见下。电容测微仪整机框图见下。电容测微仪整机框图见下。第53页，本讲稿共57页三、电容式液位计三、电容式液位计电容式液位计原理见图。电容式液位计原理见图。浸入液体中的导线以绝缘浸入液体中的导线以绝缘层为介质，与周围的液体层为介质，与周围的液体层为介质，与周围的液体层为介质，与周围的液体构成圆柱形电容器。构成圆柱形电容器。构成圆柱形电容器。构成圆柱形电容器。其容量其容量其容量其容量第54页，本讲稿共57页电

25、容式液位计的一种测量电路如下图。电容式液位计的一种测量电路如下图。电容式液位计的一种测量电路如下图。电容式液位计的一种测量电路如下图。第55页，本讲稿共57页当输入方波由低电平变为高电平时，由当输入方波由低电平变为高电平时，由A A点到点到B B点流动的电荷量点流动的电荷量点流动的电荷量点流动的电荷量当输入方波有高电平变为低电平时，由当输入方波有高电平变为低电平时，由B B点到点到A A点流动的电荷量点流动的电荷量因此在一个充电周期内有因此在一个充电周期内有因此在一个充电周期内有因此在一个充电周期内有B点流向点流向点流向点流向A A点的电荷量为点的电荷量为设方波的频率为设方波的频率为设方波的频

26、率为设方波的频率为 ，则流过，则流过，则流过，则流过A A、B B端及电流表端及电流表端及电流表端及电流表MM支路的平均电流为支路的平均电流为支路的平均电流为支路的平均电流为第56页，本讲稿共57页本章重点：本章重点：本章重点：本章重点：1.变面积、变间距、变介电常数电容传感器原理；变面积、变间距、变介电常数电容传感器原理；变面积、变间距、变介电常数电容传感器原理；变面积、变间距、变介电常数电容传感器原理；2.2.电容式传感器的等效电路、交流不平衡电桥工作原理；电容式传感器的等效电路、交流不平衡电桥工作原理；电容式传感器的等效电路、交流不平衡电桥工作原理；电容式传感器的等效电路、交流不平衡电桥

27、工作原理；3.3.理解二极管环形检波电路、差动脉冲宽度调制电路工作原理。掌握运算法测量电路的工理解二极管环形检波电路、差动脉冲宽度调制电路工作原理。掌握运算法测量电路的工理解二极管环形检波电路、差动脉冲宽度调制电路工作原理。掌握运算法测量电路的工理解二极管环形检波电路、差动脉冲宽度调制电路工作原理。掌握运算法测量电路的工作原理；作原理；作原理；作原理；4.4.理解寄生电容、分布电容对电容式传感器的影响，以及消除方法的原理；理解寄生电容、分布电容对电容式传感器的影响，以及消除方法的原理；理解寄生电容、分布电容对电容式传感器的影响，以及消除方法的原理；理解寄生电容、分布电容对电容式传感器的影响，以及消除方法的原理；5.5.常见电容式传感器的结构及原理分析。常见电容式传感器的结构及原理分析。常见电容式传感器的结构及原理分析。常见电容式传感器的结构及原理分析。习题：习题：习题：习题：3-13-1，3-23-2，3-33-3，3-4，3-93-9，3-103-10，3-143-14，3-16第57页，本讲稿共57页