傳感器第三章 電容式傳感器

1、傳感器第三章 電容式傳感器第1頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日一、變面積型原理見圖。第2頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日左圖為角位移式電容傳感器，當(dāng) 時(shí)當(dāng) 時(shí)由上式可見， 與 成線性關(guān)系。右圖為直線位移式電容傳感器，從圖上可看出同樣 與 成線性關(guān)系。第3頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日對(duì)于直線位移傳感器其靈敏度當(dāng)位移量 過大時(shí)邊緣效益會(huì)使傳感器的線性變壞。二、變介電常數(shù)型如圖是一種變介電常數(shù)型的電容式傳感器。氣體介質(zhì)部分電容量第4頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日液體介質(zhì)部分第5頁，共57頁，

2、2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日總電容令得第6頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日下圖，為另一種形式的變介電常數(shù)的傳感器。第7頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日三、變極板間距型原理見圖。設(shè)初始時(shí)極板間距為 ，初始電容為 ，則第8頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日當(dāng)極板間距 減少 時(shí)，則電容量為將上式展開為級(jí)數(shù)第9頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日略去高次項(xiàng)，得非線性誤差第10頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日這種傳感器的靈敏度為了提高線性度，通常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。如下圖

3、第11頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日分析前面左圖中的傳感器，設(shè)動(dòng)片上移，則 增大， 減小，若果初始電容都為 ，有因此差動(dòng)輸出為第12頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日略去高次項(xiàng)非線性誤差為第13頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日一、等效電路等效電路如圖。等效阻抗為3.2 電容式傳感器的測量電路2006.9.22 JC204-第14頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日考慮并聯(lián)電阻 很大，上式簡化后，得等效電容式中因此實(shí)際的電容相對(duì)變化量為上式表明，傳感器的輸出與線路有關(guān)系。2007.9.20 JGL

4、X303-第15頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日二、測量電路（一）交流不平衡電橋設(shè)計(jì)交流電橋初始時(shí)處于平衡狀態(tài)，其輸出電壓為零，即當(dāng)橋臂阻抗 變化 時(shí)，其輸出為令第16頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日第17頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日則上式，變?yōu)閷?duì)于電容傳感器，一般 可以認(rèn)為是實(shí)數(shù)，因?yàn)?用指數(shù)形式表示第18頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日則 變?yōu)闃虮巯禂?shù) 的模和相角可以表示為在電容相對(duì)變化和電源電壓一定的情況下，輸出的信號(hào)的幅度決定于 ，輸出的相位決定于 。 第19頁，共57頁，202

5、2年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日函數(shù) 和 的曲線如下圖。第20頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日分析常用的不同形式的交流電橋。下圖中由上面曲線知: 因此得第21頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日下圖中由上面曲線知: 因此得對(duì)于差動(dòng)電橋有第22頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日（二）二極管環(huán)形檢波電路電路如圖。整個(gè)電路分為5個(gè)主要部分：1.振蕩器，產(chǎn)生激勵(lì)電壓通過變壓器TP加到次級(jí)L1，L2；2.D1-D4組成的二極管環(huán)形檢波器；3.穩(wěn)幅放大器A1；4.比例放大器A2和電流轉(zhuǎn)換器Q4；5.恒壓恒流源Q2、Q3。第23頁

6、，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日第24頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日第25頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日第26頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日由圖中可以看出：經(jīng)過運(yùn)算放大器的負(fù)反饋?zhàn)饔茫罱K于是有第27頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日由于 ，由前式得由于二極管的檢波作用于是對(duì)于運(yùn)放A2第28頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日考慮運(yùn)放的“虛短”效應(yīng)于是如果是變間隙式差動(dòng)電容，則第29頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日代

7、入前式得到如果是變面積式差動(dòng)電容則第30頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日（三）差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路電路如圖。第31頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日第32頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日前面圖中：第33頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日設(shè) ，得從上式可看出，不論是變間隙差動(dòng)傳感器還是變面積差動(dòng)傳感器輸出也都是線性的。（四）運(yùn)算法測量電路電路見下圖?？紤]運(yùn)放的“虛斷”“虛短”效應(yīng)有第34頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日由于于是對(duì)于變間隙式傳感器輸出為線性，如果是變面積式傳

8、感器，可以交換 和 ，于是同樣輸出與輸入成線性關(guān)系。第35頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日可以實(shí)現(xiàn)調(diào)零的運(yùn)算法電路如下。設(shè)電位器左右兩邊總電阻之比為則取得 第36頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響如圖，隨溫度變化電容間距3.3 電容式傳感器的誤差分析第37頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日要實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，只需考慮代入前式，得整理后由上式可以看出，溫度誤差與零件的幾何尺寸，結(jié)構(gòu)形式以及材料的溫度系數(shù)有關(guān)。2006.9.25 JC204-第38頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日

9、二、電容器電場的邊緣效應(yīng)平板電容的計(jì)算公式是基于兩極板間為勻強(qiáng)電場。當(dāng)考慮電容邊緣電場分布不均勻時(shí)，邊緣效應(yīng)相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個(gè)附加電容，會(huì)引起傳感器的靈敏度下降和非線性增加。增大初始電容和增加等電位環(huán)可以改善邊緣效應(yīng)。第39頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日三、寄生與分布電容的影響電容式傳感器除有極板間電容外，極板與周圍物體也會(huì)產(chǎn)生電容，這種電容稱為寄生電容。寄生電容極不穩(wěn)定，要消除寄生電容可采用屏蔽措施，將電容器極板放置在屏蔽罩內(nèi)，屏蔽罩接地。同樣引出線也必須使用屏蔽線，同時(shí)屏蔽線也必須接地。第40頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日用于電容

10、式傳感器輸出的屏蔽線具有分布電容，該分布電容不僅與電纜本身的特性有關(guān)，而且與電纜的放置位置以及形狀不同也有關(guān)系。解決電纜的電容影響的有效辦法是驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)。其基本原理是使電纜屏蔽層電位跟蹤傳感器電容輸出極板的電位。下圖為一種驅(qū)動(dòng)電路。第41頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日下圖為另一種驅(qū)動(dòng)電路。圖中第42頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日要求于是2007.9.23 JGLX303-第43頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日一、電容式壓差變送器結(jié)構(gòu)見下兩圖。3.4 電容式傳感器的應(yīng)用第44頁，共57頁，2022年，5月20日，

11、21點(diǎn)34分，星期日分析二室結(jié)構(gòu)的壓差變送器。參見下圖第45頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日有前面圖中可知：下面分析 的計(jì)算方法。有圖上知考慮 有第46頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日第47頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日在球面上取一寬度為 ，長度為 的環(huán)形微元，該微元與可動(dòng)極板初始位置的電容量為對(duì)上式積分得第48頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日感壓膜片在壓差 作用下，膜片上的撓度在撓曲面上，取寬度為 ，長度 的環(huán)形微元，其與動(dòng)膜片的初始位置間電容為積分得第49頁，共57頁，2022年，5月

12、20日，21點(diǎn)34分，星期日將 與 的表達(dá)式代入前面二極管環(huán)形檢波電路的輸出電流表達(dá)式中，得將前面 與 代入上式，得令第50頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日則由上式可看出，輸出電流與壓差成線性關(guān)系。二、電容式測微儀見圖，該方式測量微位移，量程可到100m左右，分辨率可以到0.01 m。第51頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日為了減小，圓柱探頭的邊緣效應(yīng)，一般在探頭外面再加一個(gè)等電位環(huán)，參見圖。第52頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日電容測微儀整機(jī)框圖見下。第53頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日三、電容式液位計(jì)電容式液位計(jì)原理見圖。浸入液體中的導(dǎo)線以絕緣層為介質(zhì)，與周圍的液體構(gòu)成圓柱形電容器。其容量第54頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日電容式液位計(jì)的一種測量電路如下圖。第55頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日當(dāng)輸入方波由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，由A點(diǎn)到B點(diǎn)流動(dòng)的電荷量當(dāng)輸入方波有高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，由B點(diǎn)到A點(diǎn)流動(dòng)的電荷量因此在一個(gè)充電周期內(nèi)有B點(diǎn)流向A點(diǎn)的電荷量為設(shè)方波的頻率為 ，則流過A、B端及電流表M支路的平均電流為第56頁，共57頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)34分，星期日本章重點(diǎn)：1.變面積、變間距、變