第4章電容傳感器

1、第四章第四章 電容式傳感器電容式傳感器1 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，抗過(guò)載能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，抗過(guò)載能力強(qiáng)，對(duì)惡劣條件適應(yīng)性強(qiáng)，價(jià)格便宜。力強(qiáng)，對(duì)惡劣條件適應(yīng)性強(qiáng)，價(jià)格便宜。2 電容式傳感器的位移測(cè)量范圍在電容式傳感器的位移測(cè)量范圍在1m10mm之之間，變極距式電容傳感器的測(cè)量精度約為間，變極距式電容傳感器的測(cè)量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測(cè)量精度較高，其分辨率可變面積式電容傳感器的測(cè)量精度較高，其分辨率可達(dá)達(dá)0.3 m。 電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)形式 原理： 兩金屬板間的電容量為： 使被測(cè)量與其中一參數(shù)存在某種對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，

2、被測(cè) 量變化可由電容量變化反映出來(lái)。 結(jié)構(gòu)形式: l 極距變化型電容傳感器（d 變化）l 面積變化型電容傳感器（S 變化）l 介值變化型電容傳感器（ 變化）3dsc極距面積介電常數(shù))/(smF板間距離d 4.1 極距變化型電容傳感器（d變化）c近似為：設(shè)初始：d0、c0，當(dāng)產(chǎn)生d時(shí)，4ddsc2ccddsc001020000001ddddsddddsdsddsccc 由 當(dāng)d / d0 f0 時(shí)， 比 滯后大于270， ，U30， f越大，U3越大。3）當(dāng)f f0 時(shí)， 比 滯后小于270， , U3Ur時(shí)，A1輸出為低電平；當(dāng)UDUr時(shí)，A2輸出為低電平； R置0端，S置1端使Q和 端輸出高

3、、低電平，通過(guò)R1和R2對(duì)C1和C2進(jìn)行充放電。33Q初始狀態(tài):當(dāng)有輸入變化時(shí)，則：充電時(shí)間常數(shù) 使得c1、c2充電時(shí)間：T1T2, uA、uB脈沖寬度不再相等。Q和 輸出是占空比隨c而變的調(diào)寬脈沖波； 經(jīng)低通濾波器濾波后,輸出平均電壓uAB： u觸發(fā)器輸出的高電平34ccc01ccc02ccRcRccRcR022220111121uTTTTuuuBAAB2121Q021ccc21RR 21當(dāng)傳感器有輸入時(shí)，由式（5-8） 通常： 可知調(diào)寬脈沖的平均電壓uAB正比于電容傳感器c的變化.對(duì)于變極距差動(dòng)電容器：對(duì)于變面積電容傳感器：35ruuucRTln111uuucRTln222ucRcRcRc

4、RuuAB22112211212121RR ccc01ccc02uccuccccuAB02121udduAB0uAAuAB12cc36tuAuAuBuBuABuABUcUCUDUDUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖U000iixxixIUj CIUj CII 37CxC0UiUoIiIxI00 ixCUUC 38如果傳感器是平行板電容，則： xSCd可見運(yùn)算放大器的輸出電壓與動(dòng)極板的板間距離d成正比。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題。 上式是在運(yùn)算放大器的放大

5、倍數(shù)和輸入阻抗無(wú)限大的條件下得出的，實(shí)際上該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性。00iCUUdS 4.6 電容傳感器存在的問(wèn)題及影響精度的原因電容傳感器存在的問(wèn)題及影響精度的原因 （1）溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 溫度T變化，使電容器極距d，面積A發(fā)生變化，產(chǎn)生溫度誤差。 （2）溫度對(duì)介電系數(shù)的影響 T，C； 空氣和云母介電系數(shù)的溫度系數(shù)近似為零。 （3）絕緣問(wèn)題： 電容傳感器電容量很小，從幾個(gè)皮法到幾百皮法，當(dāng)電 源頻率為幾十KHz時(shí)，本身容抗達(dá)幾兆歐幾百兆歐；當(dāng) 絕緣差時(shí)，相當(dāng)于電容上并聯(lián)了一個(gè)漏電阻。 可提高電源頻率，來(lái)降低內(nèi)阻，但 f 太高易帶來(lái)寄生電容和外界干擾。39 （4）屏蔽問(wèn)題屏蔽問(wèn)題：

6、1）縮短傳感器至測(cè)量線路前置級(jí)的距離，消除長(zhǎng)電纜的影響。 集成化、小型化、一體化。 2）驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)等電位屏蔽法。 即采用雙層屏蔽電纜，用一個(gè)K=1的電壓跟隨器使傳 輸電纜的芯線與內(nèi)層屏蔽層等電位，消除芯線對(duì)內(nèi)層屏蔽 層的容性漏電，外層屏蔽層接地。40（5）激勵(lì)頻率和傳輸電纜的影響）激勵(lì)頻率和傳輸電纜的影響 集膚效應(yīng)在高頻電路中存在高頻電流集中于導(dǎo)線表 面流動(dòng)的現(xiàn)象。頻率越高，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。 f =1MHz時(shí)，層面：60m； f= 500MHz時(shí)，層面：3 相當(dāng)于導(dǎo)線直徑減小，R 當(dāng)f 較低，電纜的L和R可忽略。 當(dāng)激勵(lì)頻率f高時(shí)，等效電容CAB。 等效電容 ，當(dāng)，則 CAB （6）邊緣效應(yīng)

7、）邊緣效應(yīng)： 邊緣效應(yīng)使靈敏度降低，且產(chǎn)生非線性。41LccjcjLccjLjZAB221111LccCAB2142適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。 電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。+-邊緣效應(yīng): 消除和減小邊緣效應(yīng)43可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)等位環(huán)來(lái)消除邊緣效應(yīng)。來(lái)消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)等位環(huán)3 3+-電極電極1 1電極電極2 2 4.7 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用一、電容式微音器一、電容式微音器 由彈性膜與固定電極組成變極距型電容器。44 工作原理：工作原理： 聲壓彈性膜

8、變形dc，用于測(cè)量心音，心尖博動(dòng)，動(dòng)脈的脈動(dòng)等。 當(dāng)電容量按 變化時(shí)， 當(dāng) ，4500011cjRcjcjRZCtxdcddcddscsin0002txRcjjdRcvvisin1000010Rcdtxvvisin00txdsin00001iicvj c R vvi RRzj c R 二二. 電容式心輸出量計(jì)：電容式心輸出量計(jì)：46 三、電容式壓差呼吸傳感器三、電容式壓差呼吸傳感器 可測(cè)量流量、流速1流速壓差變換： 恒量， 式中：流體密度流量： V1、V2 、P1、P2、F1、F2分別為橫截面I、II處的平均流速、靜壓力、截面積。 只要測(cè)出P1、P2，算出V1、V2，就可求出流量： Q=F1V1 =F2V2472222112121VPVP2211VFVF 2壓差電信號(hào)變換 壓力差膜片位移差動(dòng)電容變化電信號(hào)。48 四、電容式加速度傳感器49ADXL-50電容加速度傳感器505153電容式接近開關(guān)電容式