《傳感器與檢測技術(shù)(第2版)》胡向東第5章

1、第5章電容式傳感器電容式傳感器主要內(nèi)容 5.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理5.2 變極距型電容式傳感器的非線性變極距型電容式傳感器的非線性5.3 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路5.4 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5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 知識單元知識單元與知識點與知識點平板電容式傳感器（變面積型、變介質(zhì)型、變極距型）以及圓筒電容式傳感器（變介質(zhì)型）的工作原理；變極距型電容式傳感器的非線性；調(diào)頻電路、運算放大器、變壓器式交流電橋、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等測量電橋；電容式傳感器的典型應(yīng)用。能力點能力點深入理

2、解平板電容式傳感器（變面積型、變介質(zhì)型、變極距型）以及圓筒電容式傳感器（變介質(zhì)型）的工作原理；理解調(diào)頻電路、運算放大器、變壓器式交流電橋、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等測量電橋；了解電容式傳感器的典型應(yīng)用；會分析變極距型電容式傳感器的非線性。重難點重難點重點：電容式傳感器的工作原理、測量電路、靈敏度及非線性分析。難點：二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路。學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求掌握平板或圓筒電容式傳感器的電容量表示；掌握電容式傳感器的三種類別；掌握變面積型電容器的分類及其測量原理；掌握變介質(zhì)型、變極距型、差動變極距型電容式傳感器的測量原理；掌握變極距型、差動變極距型電容式傳感器的靈敏度及

3、其相對非線性誤差分析方法；了解電容式傳感器的典型應(yīng)用。電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來實現(xiàn)對物理量的測量。廣泛用于位移、振動、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測量。特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高；可實現(xiàn)非接觸式測量；動態(tài)響應(yīng)好；能在高溫、輻射和強(qiáng)振動等惡劣條件下工作；電容量小，功率小，輸出阻抗高，負(fù)載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。5.1電容式傳感器的工作原理0rAACdd 平板結(jié)構(gòu)在實際使用中，通常保持其中兩個參數(shù)不變，而只變其中一個參數(shù)，把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電量輸出。平板電容式傳感器可分為三種：變極板間距離

4、的變極距型改變極板面積的變面積型改變介質(zhì)介電常數(shù)的變介質(zhì)型 圓筒結(jié)構(gòu)02lnrlCRr 5.1.1 變面積型電容式傳感器電容改變量與位移成線性關(guān)系電容改變量與位移成線性關(guān)系 dbxaCCCr/)(0002()2(1)1lnlnlxlx lCCx lRRrr0CxCl0CxCa電容改變量與角位移呈線性關(guān)系 0(1)AA0000001(1)rCACCCd 00CCCC0CC5.1.2 變極距型電容式傳感器000rACd 000002000111rdCdACCCCdddddd 簡化：近似直線關(guān)系 00000(1)CddCCCdd00ddCC擊穿問題一般極板間距在25200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于

5、間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測量。 00000ggggC CACddCC 5.1.3 變介質(zhì)型電容式傳感器電容增量與被測液位的高度成線性關(guān)系 002lnHCDd00 100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnHhhHhhCCCCDDDDDddddd 102(1)lnhCCCDd介質(zhì)名稱介質(zhì)名稱真空空氣聚乙烯硅油金剛石氧化鋁云母TiO2相對介電常相對介電常數(shù)數(shù)112.262.75.54.58.468.514110平板結(jié)構(gòu)串聯(lián)：并聯(lián)：011212101AC CCCCdd 0001ACdd=10001111CCCCdd0110212AACCCd 0120AA

6、Cd01101ACCCd圓筒結(jié)構(gòu)電容增量與被測液位的高度成線性關(guān)系 002lnHCDd00 100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnHhhHhhCCCCDDDDDddddd 102(1)lnhCCCDd變極距型電容式傳感器的非線性單位輸入位移所引起的輸出電容量變化與成反比關(guān)系 00011CddCdd23000001CddddCdddd00CdCd001C CKdd0d非線性誤差非線性誤差：2000001CddddCdddd%100%1000020dddddd差動結(jié)構(gòu)10011CCdd20011CCdd30200011ddddddCC30200021ddddddCC 503

7、00021222ddddddCCCC2460000021CddddCdddd002CdCd%100%1002220030 dddddd002C CKdd差動的好處靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善002CdCd 001CdCd 0100%dd20100%dd5.2電容式傳感器的測量電路5.2.1 調(diào)頻電路012012()fL CCC0012012()fffL CCCC5.2.2 運算放大器對平板電容器：輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)系輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)系 00000011iCUZIIjIjwCwC 011xCxxxxxUZIIjIjwCwC 00 xII00ixCUUC 00id

8、CUUA 5.2.3 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋?qū)τ谧儤O距型電容式傳感器：002iUdUd22101212ZZZZZ2ZZ2iiiUUUU120122iUCCUCC20ACdd10ACdd-5.2.4 二極管雙T型交流電橋當(dāng)傳感器沒有輸入時，當(dāng)傳感器沒有輸入時， C1C2一個周期內(nèi)流過負(fù)載的平均電流為0當(dāng)傳感器有輸入時，C1！C20122(2)()()LLLR RRURE fCCRR在負(fù)載和電源確定的情況下，輸出電壓只與電容的差值有關(guān)。該測量電路的優(yōu)點：電路簡單，無需相敏檢波和整流電路，便可得到較高的直流輸出電壓。輸出信號的上升時間取決于負(fù)載電壓，可用于測量高速機(jī)械運動。5.2.5 脈沖

9、寬度調(diào)制電路1MAA1(1)ttuueuC1的充電過程：AA111AMAMlnlnuutRCuuuuA111ArlnuTRCuu120ABDCABAmBm1212()TTuuuuuuTTTT變極距型：變面積型：差動脈沖寬度調(diào)制電路適用于變極板距離和變面積式差動電容傳感器，且為線性特性。12012)ABDCmCCuuuCC(00mduud 00mAuuA 5.3 電容式傳感器的應(yīng)用5.3.1 電容式壓力傳感器LHHLLHCCKPPKPCC= （）=這就實現(xiàn)了差壓電容的轉(zhuǎn)換。如果采用脈沖寬度調(diào)制測量電路，容易得到電路輸出電壓與差壓成線性關(guān)系。特點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快（100ms），能測量微小差壓（00.75Pa）。5.3.2 電容式位移傳感器5.3.3 電容式加速度傳感器20002CdatCdd002CdC