變面積式差動(dòng)電容傳感器

1、模塊三模塊三 傳感器原理及檢測(cè)實(shí)訓(xùn)傳感器原理及檢測(cè)實(shí)訓(xùn)變面積式差動(dòng)電容傳感器變面積式差動(dòng)電容傳感器浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐文徐文3.2 電容式傳感器電容式傳感器 電感式傳感器是以電容器作為傳感元件，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的一種傳感器。返回首頁(yè)分類(lèi)分類(lèi): :電容式傳感器電容式傳感器參數(shù)分類(lèi)參數(shù)分類(lèi)位移分類(lèi)位移分類(lèi)變面積型變面積型變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型變極距型變極距型角位移式角位移式極板形狀分類(lèi)極板形狀分類(lèi)組成分類(lèi)組成分類(lèi)線位移式線位移式單一式單一式差動(dòng)式差動(dòng)式3.2 電容式傳感器電容式傳感器返回首頁(yè)w 3.2.1 基本原理與結(jié)構(gòu)類(lèi)型基本原理與結(jié)構(gòu)類(lèi)型w 3.2.2

2、輸入輸入-輸出特性輸出特性w 3.2.3 等效電路分析等效電路分析w 3.2.4 接口電路接口電路w 3.2.5 變面積式差動(dòng)圓柱型電容傳感器實(shí)訓(xùn)變面積式差動(dòng)圓柱型電容傳感器實(shí)訓(xùn)3.2 電容式傳感器電容式傳感器返回首頁(yè)3.2.1 基本原理與結(jié)構(gòu)類(lèi)型基本原理與結(jié)構(gòu)類(lèi)型 典型的電容式傳感器中的電容通常做成典型的電容式傳感器中的電容通常做成平行平面平行平面形形或或平平行曲面形行曲面形。以平板電容器為例（原理圖如下），若忽略其邊。以平板電容器為例（原理圖如下），若忽略其邊緣效應(yīng)，其電容量緣效應(yīng)，其電容量C為：為： 平板電容器原理+dA dAC0d d、A A或或發(fā)發(fā)生變化時(shí)，生變化時(shí)，都會(huì)引起電都會(huì)引

3、起電容的變化。容的變化。返回首頁(yè)極板面積極板間距離板極間介電常數(shù)真空介電常數(shù)A0d3.2.1 基本原理與結(jié)構(gòu)類(lèi)型基本原理與結(jié)構(gòu)類(lèi)型ACd312123ACddd 多層介質(zhì)多層介質(zhì) A 極板覆蓋面積極板覆蓋面積 單層介質(zhì)單層介質(zhì) 平行平面電容平行平面電容返回首頁(yè)3.2.1 基本原理與結(jié)構(gòu)類(lèi)型基本原理與結(jié)構(gòu)類(lèi)型()R rr()2L RrLrCRrRr當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，1ln21xxxRxr1ln( / )2()R rrR rR rR rx 0 時(shí)，時(shí)，ln x 展成展成 n 級(jí)數(shù)，取第一項(xiàng)，級(jí)數(shù)，取第一項(xiàng)， ，令，令 ，所以所以2ln(/ )LCR rL 覆蓋長(zhǎng)度覆蓋長(zhǎng)度 平行曲面形（同軸圓筒形）電容平

4、行曲面形（同軸圓筒形）電容返回首頁(yè)3.2.2 輸入輸入-輸出特性輸出特性1、變極距型、變極距型圖圖3-2-1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 返回首頁(yè)3.2.2 輸入輸入-輸出特性輸出特性00/cA d(1) 單一式圖單一式圖3-2-1(a)初始時(shí)初始時(shí) d動(dòng)極板上移動(dòng)極板上移00000(1)1cAAcddddddd100/(1)dccd200/(1)dccd122112210ccdddccddd(2) 差動(dòng)式圖差動(dòng)式圖3-2-1(b) 返回首頁(yè)3.2.2 輸入輸入-輸出特性輸出特性圖圖3-2-2 線位移式變面積型結(jié)構(gòu)線位移式變面積型結(jié)構(gòu) 2、變面積型、變面積型(1) 線位移式線位移式0

5、00b lccd初始時(shí)初始時(shí)0000()(1)blllccdl移動(dòng)移動(dòng) l 后后返回首頁(yè)3.2.2 輸入輸入-輸出特性輸出特性筒狀線位移變面積型筒狀線位移變面積型Rr0ll)(2000rRlnlCr)()(2000rRlnllCCCr)1 (00llC00llCC返回首頁(yè)3.2.2 輸入輸入-輸出特性輸出特性圖圖3-2-3 變面積型差動(dòng)式結(jié)構(gòu)變面積型差動(dòng)式結(jié)構(gòu) (2) 角位移式（差動(dòng)結(jié)構(gòu)）角位移式（差動(dòng)結(jié)構(gòu)）返回首頁(yè)3.2.2 輸入輸入-輸出特性輸出特性222201200()()22ARrRrcccddd 扇形結(jié)構(gòu)扇形結(jié)構(gòu) 初始時(shí)初始時(shí)221000()()(1)2Rrccd 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 后后20

6、0(1)cc12120cccc 所以所以 柱面形結(jié)構(gòu)柱面形結(jié)構(gòu) 圖圖3-2-3(b) 公式同上公式同上返回首頁(yè)3.2.2 輸入輸入-輸出特性輸出特性圖圖3-2-4 線位移式變介質(zhì)型差動(dòng)結(jié)構(gòu)線位移式變介質(zhì)型差動(dòng)結(jié)構(gòu) 3、變介質(zhì)型（差動(dòng)式）、變介質(zhì)型（差動(dòng)式）返回首頁(yè)3.2.2 輸入輸入-輸出特性輸出特性1200()2lbcccd初始時(shí)初始時(shí) 01()()22llblblcddl介質(zhì)介質(zhì)( )塊右移塊右移 時(shí)，時(shí)，100()()2lbb lcdd00000022()(1)(1)2lbllcdll所以所以02002(1)lccl同理同理0121201221rrccllccll故故返回首頁(yè)3.2.3

7、等效電路分析等效電路分析1、等效電路、等效電路 RP 并聯(lián)損耗電阻并聯(lián)損耗電阻 Rs 串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻 L 引線電感引線電感RP 代表極板間的泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗；代表極板間的泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗；Rs 代表引線電阻代表引線電阻L 是電容器本身的電感和外部引線電感是電容器本身的電感和外部引線電感圖圖 3-2-5 電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路返回首頁(yè)3.2.3 等效電路分析等效電路分析012ffLC011( )23ff結(jié)論：結(jié)論：1、激勵(lì)頻率、激勵(lì)頻率 通常通常2、每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或更換連接電纜時(shí)須重新進(jìn)行、每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或更換連接電纜時(shí)須重新進(jìn)行 標(biāo)定標(biāo)定2、引線電感

8、的影響、引線電感的影響 等效電容等效電容11ej Lj Cj C21eCLCC 21eCCLCj C兩邊同乘兩邊同乘 所以所以211eeCCCCLC實(shí)際相對(duì)變量為實(shí)際相對(duì)變量為返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路1、比例運(yùn)算電路、比例運(yùn)算電路圖圖 4-2-6 比例運(yùn)算法測(cè)量電路比例運(yùn)算法測(cè)量電路（a）恒電流激勵(lì)電路恒電流激勵(lì)電路（b）恒電壓激勵(lì)電路恒電壓激勵(lì)電路（c）恒電壓激勵(lì)差動(dòng)電路恒電壓激勵(lì)差動(dòng)電路1返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路.0oixCUUC(1) 恒電流激勵(lì)電路恒電流激勵(lì)電路3-2-6 (a).01oidUUd應(yīng)用于單一變極距式電容傳感器應(yīng)用于單一變極距式電容傳感器(2) 恒

9、電壓激勵(lì)電路恒電壓激勵(lì)電路3-2-6 (b).01oilUUl應(yīng)用于變面積式和變介質(zhì)式電容傳感器應(yīng)用于變面積式和變介質(zhì)式電容傳感器.210oiCCUUC(3) 恒電壓激勵(lì)差動(dòng)電路恒電壓激勵(lì)差動(dòng)電路3-2-6 (c)02oiUU應(yīng)用于變面積差動(dòng)式電容傳感器應(yīng)用于變面積差動(dòng)式電容傳感器(0CCUUx)0i.返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路221121222ssosZZZUUUUZZZZ2、交流電橋、交流電橋(1) 電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋 圖圖3-2-7 (a)(2) 變壓器電橋變壓器電橋 圖圖3-2-7 (b) 開(kāi)路（開(kāi)路（ZL時(shí)）輸出電壓都為時(shí)）輸出電壓都為12122soCCUUCCZ

10、1 和和 Z2 若為兩個(gè)電容傳感器，則若為兩個(gè)電容傳感器，則02soUdUd應(yīng)用于變極距差動(dòng)式電容傳感器應(yīng)用于變極距差動(dòng)式電容傳感器返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路圖圖 3-2-7 兩種交流電橋兩種交流電橋（a）電阻平衡臂交流電橋電阻平衡臂交流電橋 （b）變壓器電橋變壓器電橋返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路圖圖3-2-8 二極管環(huán)形電橋二極管環(huán)形電橋210()()xIf UU CC3、二極管環(huán)形電橋、二極管環(huán)形電橋 流經(jīng)電流表流經(jīng)電流表 M 的瞬時(shí)電流的平均值為的瞬時(shí)電流的平均值為返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路4、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路(1) RC 電路的微分方程電路

11、的微分方程/( )(1)toOHu tUe(0)0,( )ooOHuuU 當(dāng)當(dāng) ui 從從 0 跳變到高電平跳變到高電平 UOH 后，后， ，代入上式得代入上式得lnlnOHOHOHROHRUUTRCUUUUuo 從從 0 上升到上升到 UR 的時(shí)間為的時(shí)間為返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路11 1lnOHOHRUTRCUU222lnOHOHRUTRCUUQQ(2) 差動(dòng)電容脈沖調(diào)寬電路的工作過(guò)程差動(dòng)電容脈沖調(diào)寬電路的工作過(guò)程 圖圖 3-2-9 中，中，C1 和和 C2 為差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容。雙為差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩端分別輸出高電平穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器兩端分別輸出高電平 U

12、OH 和低電平和低電平 0 。當(dāng)。當(dāng) Q 端從端從 0 跳變到跳變到 UOH 端，端， 從從 UOH 跳變到跳變到 0 時(shí)，時(shí)，C2 通過(guò)通過(guò) D2 迅速放電迅速放電到到0 ，UOH 通過(guò)通過(guò) R1 對(duì)對(duì) C1 充電。在充電。在 C1 充電達(dá)到充電達(dá)到 UR 時(shí)，比較器時(shí)，比較器發(fā)生跳變，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。于是發(fā)生跳變，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。于是 C2 開(kāi)始通過(guò)開(kāi)始通過(guò) R2 充電，而充電，而 C1 則通過(guò)則通過(guò) D1 放電，重復(fù)上面的同一過(guò)程。這樣放電，重復(fù)上面的同一過(guò)程。這樣 Q 端和端和 端就端就形成了寬度分別為形成了寬度分別為 T1 和和 T2 的方波：的方波：返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路

13、圖圖 3-2-9 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖圖3-2-10 脈沖寬度波形脈沖寬度波形返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路01200112OHOHRfUTTRClnUUQ 圖圖 3-2-10 為幾個(gè)主要點(diǎn)的波形圖。由圖可見(jiàn)在為幾個(gè)主要點(diǎn)的波形圖。由圖可見(jiàn)在 Q 端和端和 端的輸出，是幅值為端的輸出，是幅值為 UOH 而寬度分別為而寬度分別為 T1 和和 T2 的方波，方的方波，方波基波頻率波基波頻率 f0 為為1212oABOHTTUUUTTQQ端與端與 端間的差模電壓經(jīng)低通濾波后，輸出電壓為端間的差模電壓經(jīng)低通濾波后，輸出電壓為1212oABOHCCUUUCC 取取 R1 = R2 ，將將 T1、T2式代入上式得式代入上式得0oOHdUUd將將 式代入上式得式代入上式得122112210CCdddCCddd返回首頁(yè)3.2.4 接口電路接口電路0(3 5)(3 5)hxfff1212oABO HC CUUUC C0oOHdUUd2mxdd sinf t 02moOHxdUUsinf td 為了使輸出電壓為了使輸出電壓 Uo 為方波電壓為方波電壓 UAB 的平均值，必須濾去的平均值，必須濾去方波基波及其諧波只保留其直流分量，為此，要求方波基波及其諧波只保留