第四章 力敏傳感器B

1、電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器的特點：電容式傳感器的特點： 功率小、阻抗高，靜電引力小和良好的動態(tài)特性功率小、阻抗高，靜電引力小和良好的動態(tài)特性 本身發(fā)熱影響小，可進(jìn)行非接觸測量本身發(fā)熱影響小，可進(jìn)行非接觸測量 電容式傳感器應(yīng)用：電容式傳感器應(yīng)用： 廣泛應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等機械量廣泛應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等機械量 的精密測量的精密測量 逐步擴大應(yīng)用于壓力、差壓、液面、料面、成分逐步擴大應(yīng)用于壓力、差壓、液面、料面、成分 含量等方面的測量含量等方面的測量 0r 444 SS C dd （） + - 影響平板電容器電容值的因素影響平板電容器電容值的因素 極板面積極板面積

2、 極板間距離極板間距離 介質(zhì)的介電常數(shù)介質(zhì)的介電常數(shù) 被測物理量可以通過作用在這三個因素之上而被測物理量可以通過作用在這三個因素之上而 使得電容值發(fā)生改變使得電容值發(fā)生改變 位移位移極板間距離極板間距離 角度角度極板面積極板面積 液面液面介電常數(shù)介電常數(shù) 常見的電容式傳感器的原理結(jié)構(gòu)形式常見的電容式傳感器的原理結(jié)構(gòu)形式 變間隙式電容傳感器變間隙式電容傳感器 a a、b b 常用于測量微小的線位移常用于測量微小的線位移 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 c c、d d、e e、f f 常用于測量角位移和較大的線位移常用于測量角位移和較大的線位移 變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器

3、g g、h h 常用于固體或液體的物位測量以及各種常用于固體或液體的物位測量以及各種 介質(zhì)的濕度、密度的測定介質(zhì)的濕度、密度的測定 空氣介質(zhì)的變間隙電容空氣介質(zhì)的變間隙電容 式傳感器式傳感器 工作原理：極板工作原理：極板2 2為定為定 極板，固定不動，極板極板，固定不動，極板1 1 為動極板，與被測體相為動極板，與被測體相 連，當(dāng)被測參數(shù)改變而連，當(dāng)被測參數(shù)改變而 引起動極板引起動極板1 1移動時，就移動時，就 改變了極板間距離，從改變了極板間距離，從 而改變極板間的電容而改變極板間的電容 0 0 0 0 434 1 d dCd d Cdd d （） 0 S C d 0 00000 SSSdd

4、 CC dddddddd d 00 446 Cd Cd （） 所以變極距型電容傳感器在設(shè)計時要考慮所以變極距型電容傳感器在設(shè)計時要考慮 滿足滿足 dddd0 0的條件。且一般的條件。且一般 d d只能在極只能在極 小的范圍內(nèi)變化。小的范圍內(nèi)變化。 0/1d d當(dāng)時， 23 00000 1. 4 45 Cdddd Cdddd （） 0 22 000 1 448 n CCS S dddd （） 2 0 0 0 100% 447 d dd r dd d （） （） C1 d1 C2 d2 120 ,0 0 S dddC d 1020,ddd ddd 1 100 00 1 Sd CCCC ddd 1

5、200 00 1 Sd CCCC ddd 0/1d d當(dāng)時， 23 10 000 1. ddd CC ddd 23 20 000 1. ddd CC ddd 3 120 00 22. 449 dd CCCC dd （） 0 2 0 0 S 2 2 453 CC S ddd （） 3 2 0 0 0 100%100% 452 d d d r dd d （） 24 0000 21 450 Cddd Cddd （） （）（） 00 2 451 Cd Cd （） 0C C 0 ， 0 S C d 0 ， 0 0 1 1 444 S CCC d C （） b a d x 0 Cx Ca 0 0 1 45

6、5 x b axx CCCC da （） 二二 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 電容式傳感器表現(xiàn)為純電容特性嗎？電容式傳感器表現(xiàn)為純電容特性嗎？ 實際情況下，大多數(shù)電容器，除了在高溫、高實際情況下，大多數(shù)電容器，除了在高溫、高 濕條件下，損耗可以忽略濕條件下，損耗可以忽略 低頻工作時，電感效應(yīng)可以忽略低頻工作時，電感效應(yīng)可以忽略 在電容器的損耗和電感效應(yīng)不能忽略時，等在電容器的損耗和電感效應(yīng)不能忽略時，等 效電路如圖所示效電路如圖所示 并聯(lián)損耗電阻并聯(lián)損耗電阻Rp 極板間的泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗極板間的泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗 低頻工作時影響較大低頻工作時影響較大 串聯(lián)電阻

7、串聯(lián)電阻Rs 引線電阻、電容器支架和極板的電阻引線電阻、電容器支架和極板的電阻 隨頻率增高而增大隨頻率增高而增大 電感電感L 電容器本身的電感和引線電感電容器本身的電感和引線電感 分別與電容器結(jié)構(gòu)形式和引線長度有關(guān)分別與電容器結(jié)構(gòu)形式和引線長度有關(guān) 電容式傳感器的等效電路是一個電容式傳感器的等效電路是一個RLCRLC的振蕩電路，的振蕩電路， 有一個諧振頻率，通常在幾十兆赫茲有一個諧振頻率，通常在幾十兆赫茲 只有在低于諧振的頻率上（通常為諧振頻率的只有在低于諧振的頻率上（通常為諧振頻率的 1/31/31/21/2），才能獲得電容傳感元件的正常運用），才能獲得電容傳感元件的正常運用 有效容抗有效容

8、抗CeCe 電容的實際相對變化量為電容的實際相對變化量為 電容傳感元件的實際相對變化與固有電感有關(guān)電容傳感元件的實際相對變化與固有電感有關(guān) 2 1/1/ 1 e e j Cj Lj C C C LC 三三 電容式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路電容式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路 1 1 運算放大器電路運算放大器電路 能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性而使其能夠克服變間隙電容式傳感器的非線性而使其 輸出電壓與輸入位移（間距變化）有線性關(guān)系輸出電壓與輸入位移（間距變化）有線性關(guān)系 反相放大器電路的簡單分析反相放大器電路的簡單分析 分析要點分析要點 運放輸入兩端具有相同的電位運放輸入兩端具有相同的電位 運放的輸入端沒有

9、電流流過運放的輸入端沒有電流流過 R1 R2 Ui Uo a 2 1 oi R UU R 電容式傳感器的運算放大電路分析電容式傳感器的運算放大電路分析 放大器放大系數(shù)為放大器放大系數(shù)為-K，反相放大電路，反相放大電路 作為運放輸入端之一的作為運放輸入端之一的a點與運放的另一個輸點與運放的另一個輸 入端具有相同的電位入端具有相同的電位地電位地電位 考慮電路節(jié)點考慮電路節(jié)點a，a點流向運算放大器的電流點流向運算放大器的電流 為為0 i0i0 0 0 oxox x x 0 x0 x 1 1 U = -jIU = -jI C C 1 1 U = -jIU = -jI C C I = -II = -I

10、聯(lián)立求解，可得聯(lián)立求解，可得 而而 ，代入得，代入得 輸出電壓與極板間距成線性關(guān)系，從而從原理輸出電壓與極板間距成線性關(guān)系，從而從原理 上解決了變間隙的電容式傳感器的非線性問題上解決了變間隙的電容式傳感器的非線性問題 0 0 oioi x x C C U= -UU= -U C C x x C =C =A / dA / d 0 0 oioi C C U = -UdU = -Ud A A 3. 在負(fù)半周時，二極管在負(fù)半周時，二極管D D2 2導(dǎo)通、導(dǎo)通、D D1 1截止，電容截止，電容C C2 2很很 快被充電至電壓快被充電至電壓U UE E；電源經(jīng)電阻；電源經(jīng)電阻R R2 2以以i i1 1 向

11、負(fù)載電向負(fù)載電 阻阻R RL L供電，與此同時，電容供電，與此同時，電容C C1 1經(jīng)電阻經(jīng)電阻R R1 1、負(fù)載電、負(fù)載電 阻阻R RL L 放電，流過放電，流過R RL L 的放電電流為的放電電流為i i2 2 。流過。流過R RL L的的 總電流總電流i iL L 為為i i1 1 和和i i2 2 的代數(shù)和。的代數(shù)和。 若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為0 0，則，則C C1 1C C2 2, , I I1 1I I2 2, , 此時在一個周期內(nèi)通過此時在一個周期內(nèi)通過R RL L上的平上的平 均電流不為零，均電流不為零， 因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出 電壓在一個周期內(nèi)平

12、均值為電壓在一個周期內(nèi)平均值為 傳感器無輸入時，傳感器無輸入時，C1=C2C1=C2，R1=R2=RR1=R2=R，則，則 正半周和負(fù)半周流過負(fù)載的電流大小相等，正半周和負(fù)半周流過負(fù)載的電流大小相等， 方向相反，即一個周期內(nèi)流過負(fù)載的平均電方向相反，即一個周期內(nèi)流過負(fù)載的平均電 流為零。流為零。 2 (2) () L L L R RR RM RR 12 () o UUfM CC 當(dāng)當(dāng)RL已知，式中已知，式中 (常數(shù)) 12 0 12 2 1 ( )( ) (2) () () T oLLL L L L UI RItItdtR T R RR R U fCC RR 電路特點：電路特點： 線路簡單，可

13、全部放在探頭內(nèi)，大大線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大 縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；縮短了電容引線、減小了分布電容的影響； 電源周期、幅值直接影響靈敏度，要電源周期、幅值直接影響靈敏度，要 求它們高度穩(wěn)定；求它們高度穩(wěn)定； 輸出阻抗為輸出阻抗為RL，與電容無關(guān)，克服了，與電容無關(guān)，克服了 電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點； 適用于具有線性特性的單組式和差動適用于具有線性特性的單組式和差動 式電容式傳感器。式電容式傳感器。 四四 電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用 電容傳感器可直接測量的非電量有直線位電容傳感器可直接測量的非電量有直線位 移、角位移及介質(zhì)的幾何尺寸等移、角

14、位移及介質(zhì)的幾何尺寸等 電容傳感器測量其他非電量時，通常需要電容傳感器測量其他非電量時，通常需要 進(jìn)行預(yù)變換，即將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成極板間進(jìn)行預(yù)變換，即將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成極板間 隙、極板面積或介電常數(shù)的變化隙、極板面積或介電常數(shù)的變化 膜片電極式壓力傳感器膜片電極式壓力傳感器 膜片電極式壓力傳感器的膜片電極式壓力傳感器的 工作原理是膜片在被測壓工作原理是膜片在被測壓 力的作用下產(chǎn)生彎曲變形，力的作用下產(chǎn)生彎曲變形， 從而改變極板間平均間隙，從而改變極板間平均間隙， 導(dǎo)致電容的變化導(dǎo)致電容的變化 變間隙的電容傳感器變間隙的電容傳感器 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 質(zhì)量塊（動極板）質(zhì)量塊（動極板） a C1 C2 m 電容式應(yīng)變計電容式應(yīng)變計 應(yīng)變導(dǎo)致極間距變化應(yīng)變導(dǎo)致極間距變化