第四章電容式傳感器

1、l西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院(學(xué)分: 2 學(xué)時(shí): 32)主講教師:華澤璽電話:87634161四章 電容式傳感器1 1、電容公式、電容公式? ?2 2、其中可以改變的參數(shù)、其中可以改變的參數(shù)? ?3 3、可以應(yīng)用的行業(yè)例子？、可以應(yīng)用的行業(yè)例子？第四章 電容式傳感器基本要求基本要求了解電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)了解電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)(主要是變間隙型主要是變間隙型)； 了解電容式傳感器的測(cè)量電路了解電容式傳感器的測(cè)量電路;掌握脈沖寬度調(diào)制電路方法掌握脈沖寬度調(diào)制電路方法 測(cè)量電路；測(cè)量電路； 了解電容式傳感器的等效電路、應(yīng)用中存在問(wèn)題及解決辦了解電容式傳感器的

2、等效電路、應(yīng)用中存在問(wèn)題及解決辦法。法。了解電容式傳感器的測(cè)量電路、電容式傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用。了解電容式傳感器的測(cè)量電路、電容式傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用。第三章 電容式傳感器一、電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)二、電容式傳感器的等效電路三、電容式傳感器的測(cè)量電路四、電容式傳感器的應(yīng)用舉例五、第四次作業(yè)典型應(yīng)用范圍：差壓、典型應(yīng)用范圍：差壓、(角角)位移、振動(dòng)、加速度、物位、位移、振動(dòng)、加速度、物位、成分含量、層析成分含量、層析圖圖 電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式ACr00rrRlCrln20變間隙型變面積型變介質(zhì)型電電容容式式傳傳感感器器)/1()/1(202000Ar時(shí)，當(dāng)000

3、0000/)/1 (CCACr)/1 (000000AACCCrr000ACr121C2C)/1 (000000AACCCrr10001CC時(shí)，當(dāng)1/0.13020000CC，00CC20200001ACCKr%100%100)(0020fe201S22110rrAC11r2210rAC11r2r20001CC0/0/CC放置了介質(zhì)片的變極距型電容式傳感器容量變化公式的推導(dǎo)放置了介質(zhì)片的變極距型電容式傳感器容量變化公式的推導(dǎo)1000011CACCC1000021CACCC12120201,02100AC 時(shí)，當(dāng)1/0.13020001CC.13020002CC.22300021CCCC002C

4、CS%100)(%100)(2)(220030fe002CC00000)(llbCCCr00000lbCr00000blClCSrl0b00lACr00，0)1 (00ACCCr，0)1 (0C0CC)(2000rRlnlCr)()(2000rRlnllCCCr)1 (00llC00llCCRr0ll000212lbCCCr0201,000ACCCr0011C12l00002111lbCCCr2000022lbr2011C022000)(rRCCrBCAC0220)(2rRCCCrBCACrRlrCCrBCAC000rRlrCCCrBCAC02ABCROrrACBORl-初始位置時(shí)一組極板相互

5、覆蓋有效面積所包含的角度。初始位置時(shí)一組極板相互覆蓋有效面積所包含的角度。BACCC1211022111)(llbbl21010blC21212101001llCCCACBC12121l0ldrddAC)(021CCC)(2)()(2110100rRlnlrRlnll）（1)(2)(211000rRlnlrRlnl1nlmC1l2l0l10r2R2返回PRPCCsRL圖中考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)；圖中考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)；Rp為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時(shí)影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減這些損耗

6、在低頻時(shí)影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。小，其影響就減弱。Rs代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電代表串聯(lián)損耗，即代表引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。阻的損耗。電感電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。由電容器本身的電感和外部引線電感組成。 傳感元件的有效電容傳感元件的有效電容Ce可由下式求得可由下式求得(為了計(jì)算方為了計(jì)算方便，忽略便，忽略Rs和和Rp): 2222222)1 ()1 (11111LCCLCCLCLCCCLCCCjLjCjeeeLCCCCCe21d 當(dāng)平行板的間距當(dāng)平行板的間距d 遠(yuǎn)小于平行板的尺寸（半徑、長(zhǎng)遠(yuǎn)小于平行板的尺寸（半徑

7、、長(zhǎng)和寬等）時(shí)，對(duì)精度要求不是特別嚴(yán)格的條件下，邊緣和寬等）時(shí)，對(duì)精度要求不是特別嚴(yán)格的條件下，邊緣效應(yīng)即可忽略。效應(yīng)即可忽略。xC1UK1xC2xC3C4C3R4R1C三、電容式傳感器的幾個(gè)典型特點(diǎn)三、電容式傳感器的幾個(gè)典型特點(diǎn) 1. 1.高阻抗高阻抗 直流電阻趨于無(wú)窮大，交流阻抗直流電阻趨于無(wú)窮大，交流阻抗1/(1/( jC) )由于由于C一般較小，一般較小，當(dāng)頻率當(dāng)頻率不太高時(shí)交流阻也很大。不太高時(shí)交流阻也很大。 2.2.小功率小功率 視在功率視在功率PC=UI=U 2C，由于，由于C很小，則在很小，則在頻率頻率不太高不太高時(shí)時(shí)PC也很小。也很小。 3.3.存在靜電吸引力存在靜電吸引力

8、由于板極間距很小，所以靜電力就比較明顯，特別是小板由于板極間距很小，所以靜電力就比較明顯，特別是小板極間距測(cè)量時(shí)可能會(huì)引入附加誤差。極間距測(cè)量時(shí)可能會(huì)引入附加誤差。 4.4.測(cè)量回路通常要用交流回路。測(cè)量回路通常要用交流回路。返回一、調(diào)頻電路一、調(diào)頻電路 調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分振回路的一部分, , 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測(cè)非電量率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測(cè)非電量的大小，但此

9、時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因的大小，但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀幅的變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。調(diào)頻式測(cè)量電路原理框圖。記錄下來(lái)。調(diào)頻式測(cè)量電路原理框圖。 圖中調(diào)頻圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為振蕩器的振蕩頻率為L(zhǎng)Cf21LCCCfx)(21210LCCCCfx)(2121LCf21xCCCC21振蕩回路固有電容振蕩回路固有電容引線分布電容引線分布電容傳感器電容傳感器電容0C0, 0 fC 0C0C二、調(diào)幅電路二、調(diào)幅電路1 1、二極管雙、二極管

10、雙T T形交流電橋形交流電橋 圖是二極管雙圖是二極管雙T T形交流電橋電路原理圖。形交流電橋電路原理圖。e e是高頻電是高頻電源，源， 它提供了幅值為它提供了幅值為U U的對(duì)稱方波，的對(duì)稱方波，VD1VD1、VD2VD2為特性完為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻全相同的兩只二極管，固定電阻R R1=1=R R2=2=R R，C C1 1、C C2 2為傳感為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。器的兩個(gè)差動(dòng)電容。 VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RLR1I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RLR2C1C21I2I2 2、運(yùn)算放大器式電路、運(yùn)算放大器式電路 由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且

11、輸入阻抗由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗ZiZi很很高高, , 運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。圖是運(yùn)算放大器式電路原理圖想的測(cè)量電路。圖是運(yùn)算放大器式電路原理圖, , 圖中圖中C Cx x為電為電容式傳感器電容；容式傳感器電容；U Ui i是交流電源電壓是交流電源電壓; ; U Uo o是輸出信號(hào)電壓是輸出信號(hào)電壓; ; 是虛地點(diǎn)。是虛地點(diǎn)。0IIxIiUscUKxC0CaaiUICjU001IIIx0axxSCUICjU1ixSCUCCU0aiUICjU001IIIx0axxSCUICjU1ACrx0

12、0, 0IUaiZK,irSCUACU00三、脈沖寬度調(diào)制電路三、脈沖寬度調(diào)制電路0, 1QQ1, 0QQ0DrcUU 1A0CrDUU 2A0UrU1A2A1R2R1D2DQQRS1C2CABCD雙穩(wěn)觸發(fā)器濾波器tttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00UtttttAUBUCUDU0U000001U1UrUrU1T2T00U21CC 21CC 121212110UTTTUTTTUUUBA12121UTTTT121210UCCCCUrUUUlnCRT11111rUUUlnCRT11222112120UU112120UAAAAU0201，100UUAUAAU10返回CB

13、RR0C1C2C1L2L21CCCxFFP1P2P1C2C1C2C1C2Camabpp案例：案例：電容傳聲器電容傳聲器 案例案例: :液面高度測(cè)量液面高度測(cè)量1、基本要求、基本要求了解電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)了解電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)(主要是變間隙型主要是變間隙型)； 了解電容式傳感器的測(cè)量電路了解電容式傳感器的測(cè)量電路;掌握脈沖寬度調(diào)制電路方法掌握脈沖寬度調(diào)制電路方法 測(cè)量電路；測(cè)量電路； 了解電容式傳感器的等效電路、應(yīng)用中存在問(wèn)題及解決辦了解電容式傳感器的等效電路、應(yīng)用中存在問(wèn)題及解決辦法。法。了解電容式傳感器的測(cè)量電路、電容式傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用。了解電容式傳感器的測(cè)量電路、電容式

14、傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用。電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)？電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)？說(shuō)明傳感器的工作原理及其類型？說(shuō)明傳感器的工作原理及其類型？推導(dǎo)差動(dòng)變間隙型電容傳感器的靈敏度和非線性誤差，推導(dǎo)差動(dòng)變間隙型電容傳感器的靈敏度和非線性誤差，并與單一型傳感器比較？并與單一型傳感器比較？差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路的用于電容傳感器測(cè)量電路，具差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路的用于電容傳感器測(cè)量電路，具有什么特點(diǎn)？畫出電容有什么特點(diǎn)？畫出電容C1C2情況下情況下A、B、C、D各點(diǎn)和各點(diǎn)和輸出輸出U0的電壓波形（可參看教案），并給出變間隙型差動(dòng)的電壓波形（可參看教案），并給出變間隙型差動(dòng)電容傳感器電壓電容傳感器電壓U0 輸出公式及所有推導(dǎo)過(guò)程。輸出公式及所有推導(dǎo)過(guò)程。已知平板電容傳感器極板間質(zhì)介為空氣，極板面積已知平板電容傳感器極板間質(zhì)介為空氣，極板面積S=aa=(22)cm2,間隙間隙0=0.1mm。試求傳感器的電容值；。試求傳感器的電容值；若由于裝配關(guān)系，兩極板間不平行，一側(cè)間隙為若由于裝配關(guān)系，兩極板間不平行，一側(cè)間隙為0，而另，而另一側(cè)間隙為一側(cè)間隙為0+b(b=0.01mm)。求此時(shí)的傳感器電容值。求此時(shí)的傳感器電容值。變間距（變間距（）型平板電容傳感器，當(dāng)）型平板電容傳感器，當(dāng)0=1mm時(shí)，若要時(shí)，若要求測(cè)量線性度為求