傳感器原理及應(yīng)用電容式傳感器演示文稿

傳感器原理及應(yīng)用電容式傳感器演示文稿當(dāng)前第1頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)傳感器原理及應(yīng)用電容式傳感器當(dāng)前第2頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)

第五章電容式傳感器5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2電容式傳感器等效電路5.3電容式傳感器測量電路5.4電容式傳感器應(yīng)用當(dāng)前第3頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)ε電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，εr極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；A兩平行板所覆蓋的面積；d兩平行板之間的距離。兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)電容量為一、基本工作原理§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)d極板1極板2被測參數(shù)變化A、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。僅改變一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)的變化可轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。當(dāng)前第4頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)電容式傳感器的三種類型：變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型。一、基本工作原理§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)當(dāng)前第5頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有二、變極距型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)Δd/d0<<1時(shí)，1-(Δd/d0)2≈1，則C與Δd近似呈線性關(guān)系。變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。1、基本輸出特性當(dāng)前第6頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)電容的相對變化量為二、變極距型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)當(dāng)|Δd/d0|<<1時(shí)，級數(shù)展開有輸出電容的相對變化量與輸入位移之間成非線性關(guān)系。傳感器的相對非線性誤差：

2、非線性特性當(dāng)前第7頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)電容傳感器的靈敏度為二、變極距型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)3、靈敏度單位輸入位移所引起的輸出電容相對變化的大小與d0呈反比關(guān)系。當(dāng)|Δd/d0|<<1時(shí)有近似線性關(guān)系2、非線性特性要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10。變極距電容式傳感器在微位移測量中應(yīng)用最廣。當(dāng)前第8頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移Δd時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-Δd，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+Δd，則二、變極距型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)動(dòng)極板定極板定極板C1

d1C2

d2當(dāng)前第9頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)電容值相對變化量為二、變極距型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)略去高次項(xiàng)，則ΔC/C0與Δd/d0近似線性關(guān)系為電容值總的變化量為4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)動(dòng)極板定極板定極板C1

d1C2

d2當(dāng)前第10頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)差動(dòng)式傳感器的靈敏度為二、變極距型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)差動(dòng)式傳感器的相對非線性誤差近似為4、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)動(dòng)極板定極板定極板C1

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d2差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的電容傳感器非線性誤差大大降低，靈敏度增加了一倍。當(dāng)前第11頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)兩種常用變面積型電容傳感器：線位移式和角位移。三、變面積型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與水平位移呈線性關(guān)系。被測量通過動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積改變，產(chǎn)生電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對于定極板平移Δx時(shí)，則電容相對變化量為1、平行平板線位移式當(dāng)前第12頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)初始電容C0為三、變面積型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與內(nèi)筒線位移呈線性關(guān)系。當(dāng)覆蓋長度變化時(shí)，電容量也隨之變化。當(dāng)內(nèi)筒上移為a時(shí)，內(nèi)外筒間的電容相對變化量為2、同軸圓筒線位移式DdLa當(dāng)前第13頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)初始電容C0為三、變面積型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與角位移呈線性關(guān)系。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移θ時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。電容相對變化量為3、角位移式當(dāng)前第14頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)設(shè)固定極板長度為a、寬度為b、兩極板間的距離為d；被測物的厚度和介電常數(shù)分別為dx和ε,則四、變介質(zhì)型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與被測量物體的厚度和介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)介電常數(shù)一定時(shí)，通過傳感器電容量的變化測量物體的厚度。1、單組平板厚度式電容傳感器dxCC1C2C3當(dāng)前第15頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)設(shè)極板寬度為b，板間無介質(zhì)ε2時(shí)，傳感器的電容量四、變介質(zhì)型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)傳感器的電容量與位移呈線性關(guān)系。插入介質(zhì)ε2

后的電容量2、單組平板位移式電容傳感器d2ε1CBld1ε2xCACACBC當(dāng)前第16頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液面高度為h,變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，變換器電容值為四、變介質(zhì)型電容傳感器§5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)變換器的電容增量正比于被測液位高度。3、測量液位圓筒式電容傳感器C2C1C當(dāng)前第17頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)

第五章電容式傳感器5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2電容式傳感器等效電路5.3電容式傳感器測量電路5.4電容式傳感器應(yīng)用當(dāng)前第18頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)，電容式傳感器的等效電路。一、電容式傳感器等效電路§5.2電容式傳感器等效電路根據(jù)等效電路，電容式傳感器有一個(gè)諧振頻率，通常為幾十兆赫。當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞傳感器正常作用。因此，工作頻率應(yīng)該選擇低于諧振頻率。并聯(lián)損耗電阻Rp：表示極板間的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。并聯(lián)損耗低頻時(shí)影響大，隨著工作頻率增高，容抗減小，影響就減弱。串聯(lián)損耗電阻Rs：引線電阻、電容器支架和極板電阻的損耗。電感L：電容器的電感和外部引線電感。

當(dāng)前第19頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)

第五章電容式傳感器5.1電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)5.2電容式傳感器等效電路5.3電容式傳感器測量電路5.4電容式傳感器應(yīng)用當(dāng)前第20頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)與電感傳感器不同，電容傳感器中電容值和電容變化量都十分微小，難以直接為儀表所顯示和記錄。因此，需要一些測量電路檢測出電容的微小變化量，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓、電流或頻率輸出。一、調(diào)頻式測量電路§5.3電容式傳感器測量電路常用測量電路：調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器電路、二極管雙T形交流電橋、環(huán)形二極管充放電電路、脈沖寬度調(diào)制電路等。CxΔf振蕩器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鑒頻器調(diào)頻測量電路中電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分,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。若用頻率直接作為測量系統(tǒng)的輸出量，來判斷被測非電量的大小，具有非線性、不易校正等問題。因此，加入鑒頻器，頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅變化來輸出。當(dāng)前第21頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為一、調(diào)頻式測量電路§5.3電容式傳感器測量電路調(diào)頻測量電路具有較高的靈敏度，可測量高至0.01μm級位移變化量。信號輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)遙測遙控。當(dāng)被測信號不為0時(shí)，ΔC≠0，振蕩器頻率變化為振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx，C1為振蕩回路固有電容,C2為傳感器引線分布電容,Cx=C0±ΔC為傳感器的電容。當(dāng)被測信號為0時(shí)，ΔC=0，則振蕩器有一個(gè)固有頻率為當(dāng)前第22頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)大，輸入阻抗高,可作為電容式傳感器的理想測量電路。二、運(yùn)算放大器測量電路§5.3電容式傳感器測量電路運(yùn)算放大器電路輸出電壓為測量電路輸出電壓的相位與電源電壓的反相。設(shè)Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓;Uo是輸出信號電壓;Σ是虛地點(diǎn)。運(yùn)算放大器輸入電流可認(rèn)為零，根據(jù)克希荷夫定律有當(dāng)前第23頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)平行平板電容傳感器，則二、運(yùn)算放大器測量電路§5.3電容式傳感器測量電路實(shí)際上運(yùn)算放大器測量電路仍然存在一定的非線性。為保證儀器精度，除了要求運(yùn)算放大器阻抗和放大倍數(shù)足夠大外，還要求電源電壓的幅值和固定電容值非常穩(wěn)定。運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離成線性關(guān)系。在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下，運(yùn)算放大器電路解決了變極距型電容傳感器的非線性問題。當(dāng)前第24頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)二極管雙T形交流電橋電路中，e為高頻電源，提供了幅值為U的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，R1、R2為阻值相等的兩個(gè)固定電阻，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。三、二極管雙T形交流電橋§5.3電容式傳感器測量電路（1）傳感器沒有輸入C1=C2當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，則電容C1被以極短的時(shí)間充電至U。在前負(fù)半周時(shí)，電容C2已經(jīng)充電至電壓U。1、電路基本結(jié)構(gòu)2、基本工作原理當(dāng)前第25頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)三、二極管雙T形交流電橋§5.3電容式傳感器測量電路（1）傳感器沒有輸入時(shí)C1=C2電源經(jīng)R1以I1向RL供電，而電容C2經(jīng)電阻R2和負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I2。流過RL的總電流IL為I1和I2的代數(shù)和。2、基本工作原理同理，當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，流過負(fù)載電阻RL的電流為I’1和I’2的代數(shù)和。根據(jù)所給的條件，在一個(gè)周期內(nèi)流過負(fù)載電阻上平均電流I1=I2、I’1=I’2且方向相反，流過RL的平均電流為零。當(dāng)前第26頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)三、二極管雙T形交流電橋§5.3電容式傳感器測量電路（2）傳感器有輸入時(shí)C1≠C2若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I2,在一個(gè)周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零。因此，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為2、基本工作原理輸出電壓既與電源幅值和頻率f有關(guān)，又與電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)前第27頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)三、二極管雙T形交流電橋§5.3電容式傳感器測量電路（2）傳感器有輸入時(shí)C1≠C2當(dāng)RL一定時(shí)，引入常數(shù)M，在一個(gè)周期內(nèi)輸出電壓平均值可簡寫為2、基本工作原理當(dāng)電源確定后，輸出電壓是電容C1和C2的函數(shù)。（3）雙T電路的特點(diǎn)①線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值影響靈敏度，要求高度穩(wěn)定；③輸出阻抗與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；④適用于具有線性特性的差動(dòng)式傳感器。當(dāng)前第28頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)在環(huán)形二極管充放電法測量電容電路中，高頻方波信號源，通過環(huán)形二極管電橋，對被測電容進(jìn)行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個(gè)與被測電容成正比的微安級電流。四、環(huán)形二極管充放電測量電路§5.3電容式傳感器測量電路1、電路基本結(jié)構(gòu)輸入方波加在電橋的A點(diǎn)和地之間，Cx為被測電容，Cd為平衡電容傳感器初始電容的調(diào)零電容，C為濾波電容，A為直流電流表。二極管雙T形交流電橋的改進(jìn)當(dāng)前第29頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)（1）當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時(shí)，電容Cx和Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。電容Cx的充電電流為i1，Cd的充電電流為i3。在充電過程中T1這段時(shí)間內(nèi)，VD2、VD4一直處于截止?fàn)顟B(tài)，由A點(diǎn)向C點(diǎn)流動(dòng)的電荷量為四、環(huán)形二極管充放電測量電路§5.3電容式傳感器測量電路在放電過程中T2這段時(shí)間內(nèi)，VD1、VD3截止，由C點(diǎn)向A點(diǎn)流過的電荷量為2、基本工作原理（2）當(dāng)輸入的方波由E2返回到E1時(shí)，Cx、Cd放電，兩端的電壓由E2下降到E1，放電電流分別為i2和i4。當(dāng)前第30頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)（3）設(shè)方波的頻率f=1/T0即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù)，由C點(diǎn)流向A點(diǎn)的平均電流為I2,從A點(diǎn)流向C點(diǎn)的平均電流為I3,流過從C至A支路的瞬時(shí)電流平均值為四、環(huán)形二極管充放電測量電路§5.3電容式傳感器測量電路環(huán)形二極管充放電測量電路的輸出電流I正比于傳感器電容值的增量ΔCx。2、基本工作原理（4）令Cx的初始值為C0，ΔCx為Cx的增量，Cx=C0+ΔCx。初始調(diào)節(jié)Cd=C0，則有當(dāng)前第31頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路，通過對傳感器電容的充放電，使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器，被測量的變化轉(zhuǎn)換為直流信號輸出。五、脈沖寬度調(diào)制測量電路§5.3電容式傳感器測量電路當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q端為高電平，則觸發(fā)器通過R1對Cx1充電。2、基本工作原理1、電路基本結(jié)構(gòu)Cx1、Cx2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。當(dāng)前第32頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)當(dāng)F點(diǎn)電位UF升到與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使Q端為低電平。此時(shí)，電容Cx1通過二極管VD1迅速放電至零，而觸發(fā)器經(jīng)R2向C2充電。五、脈沖寬度調(diào)制測量電路§5.3電容式傳感器測量電路2、基本工作原理當(dāng)G點(diǎn)電位UG與參考電壓Ur相等時(shí)，比較器A2輸出一脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。此時(shí)，電容Cx2通過二極管VD2迅速放電至零。如此交替激勵(lì)。因此，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈沖的寬度受電容Cx1、Cx2的調(diào)制。當(dāng)前第33頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)（1）當(dāng)Cx1=Cx2時(shí)，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度T1和T2相等，測量電路在一個(gè)周期T=T1+T2時(shí)間內(nèi)輸出平均電壓為零。五、脈沖寬度調(diào)制測量電路§5.3電容式傳感器測量電路2、基本工作原理（2）當(dāng)Cx1≠Cx2時(shí)，C1和C2充放電時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化，觸發(fā)器兩端電平的脈沖寬度T1和T2不相等，測量電路在一個(gè)周期T=T1+T2時(shí)間內(nèi)輸出平均電壓為當(dāng)前第34頁\共有38頁\編于星期四\19點(diǎn)五、脈沖寬度調(diào)制測量電路§5.3電容式傳感器測量電路2、基本工作原理（3）在一個(gè)周期內(nèi)輸出平均電壓與傳感器電容的關(guān)系為對