传感器原理及应用第5章ppt课件

,传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors,主讲：王殿生 教授,第五章,作 业,第二版教材102页： 5-4，5-5，5-7（练习题） 第三版教材99-100页： 5-4，5-5，5-9（练习题）,第五章 电容式传感器,电容式传感器的定义 以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。 电容式传感器的感测量 位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。 电容式传感器的种类 根据结构形式：变极距型、变面积型和变介质型。,第五章 电容式传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构 5.2 电容式传感器等效电路 5.3 电容式传感器测量电路 5.4 电容式传感器应用,电容极板间介质的介电常数，0为真空介电常数，r极板间介质的相对介电常数；A两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间的距离。,两个平行金属板组成的平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为,一、基本工作原理,5.1 电容式传感器工作原理和结构,被测参数变化A、d或发生变化时，电容量C也随之变化。,仅改变一个参数，该参数的变化可转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。,电容式传感器的三种类型： 变极距型、变面积型和变介电常数型。,一、基本工作原理,5.1 电容式传感器工作原理和结构,电容传感器的灵敏度为,二、变极距型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,3、灵敏度,单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。,当|d/d0|1时有近似线性关系,2、非线性特性,要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。,一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间，极板间距离在25200m的范围内。 最大位移应小于间距的1/10。 变极距电容式传感器在微位移测量中应用最广。,在差动式平板电容器中，当动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d，则,二、变极距型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。,4、差动式结构,电容值相对变化量为,二、变极距型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,略去高次项，则C/C0与d/d0近似线性关系为,电容值总的变化量为,4、差动式结构,差动式传感器的灵敏度为,二、变极距型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,差动式传感器的相对非线性误差近似为,4、差动式结构,差动式结构的电容传感器非线性误差大大降低，灵敏度增加了一倍。,两种常用变面积型电容传感器：线位移式和角位移。,三、变面积型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,传感器的电容量与水平位移呈线性关系。,被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积改变，产生电容量的变化。当动极板相对于定极板平移x时，则电容相对变化量为,1、平行平板线位移式,初始电容C0为,三、变面积型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,传感器的电容量与内筒线位移呈线性关系。,当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a 时，内外筒间的电容相对变化量为,2、同轴圆筒线位移式,初始电容C0为,三、变面积型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,传感器的电容量与角位移呈线性关系。,当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。电容相对变化量为,3、角位移式,设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为d；被测物的厚度和介电常数分别为dx和, 则,四、变介质型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,传感器的电容量与被测量物体的厚度和介电常数有关。 当介电常数一定时，通过传感器电容量的变化测量物体的厚度。,1、单组平板厚度式电容传感器,设极板宽度为b，板间无介质2时，传感器的电容量,四、变介质型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,传感器的电容量与位移呈线性关系。,插入介质2 后的电容量,2、单组平板位移式电容传感器,设被测介质的介电常数为1，液面高度为h, 变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，变换器电容值为,四、变介质型电容传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构,变换器的电容增量正比于被测液位高度。,3、测量液位圆筒式电容传感器,第五章 电容式传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构 5.2 电容式传感器等效电路 5.3 电容式传感器测量电路 5.4 电容式传感器应用,考虑了电容器的损耗和电感效应，电容式传感器的等效电路。,一、电容式传感器等效电路,5.2 电容式传感器等效电路,根据等效电路，电容式传感器有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏传感器正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率。,并联损耗电阻Rp： 表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。并联损耗低频时影响大，随着工作频率增高，容抗减小，影响就减弱。 串联损耗电阻Rs： 引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。 电感L： 电容器的电感和外部引线电感。,第五章 电容式传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构 5.2 电容式传感器等效电路 5.3 电容式传感器测量电路 5.4 电容式传感器应用,与电感传感器不同，电容传感器中电容值和电容变化量都十分微小，难以直接为仪表所显示和记录。 因此，需要一些测量电路检测出电容的微小变化量，并转换成相应的电压、电流或频率输出。,一、调频式测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,常用测量电路： 调频电路、运算放大器电路、二极管双T形交流电桥、环形二极管充放电电路、脉冲宽度调制电路等。,调频测量电路中电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分, 当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。,若用频率直接作为测量系统的输出量，来判断被测非电量的大小，具有非线性、不易校正等问题。 因此，加入鉴频器，频率变化转换为电压振幅变化来输出。,调频振荡器的振荡频率为,一、调频式测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,调频测量电路具有较高的灵敏度， 可测量高至0.01m级位移变化量。 信号输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强， 可实现遥测遥控。,当被测信号不为0时，C0，振荡器频率变化为,振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，C1为振荡回路固有电容, C2为传感器引线分布电容, Cx=C0C为传感器的电容。,当被测信号为0时，C=0，则振荡器有一个固有频率为,运算放大器的放大倍数大，输入阻抗高, 可作为电容式传感器的理想测量电路。,二、运算放大器测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,运算放大器电路输出电压为,测量电路输出电压的相位与电源电压的反相。,设Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压; Uo是输出信号电压; 是虚地点。运算放大器输入电流可认为零，根据克希荷夫定律有,平行平板电容传感器，则,二、运算放大器测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,实际上运算放大器测量电路仍然存在一定的非线性。 为保证仪器精度，除了要求运算放大器阻抗和放大倍数足够大外，还要求电源电压的幅值和固定电容值非常稳定。,运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系。,在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下，运算放大器电路解决了变极距型电容传感器的非线性问题。,二极管双T形交流电桥电路中，e为高频电源，提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，R1、R2为阻值相等的两个固定电阻，C1、C2为传感器的两个差动电容。,三、二极管双T形交流电桥,5.3 电容式传感器测量电路,（1）传感器没有输入C1=C2 当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，则电容C1被以极短的时间充电至U。在前负半周时，电容C2已经充电至电压U。,1、电路基本结构,2、基本工作原理,三、二极管双T形交流电桥,5.3 电容式传感器测量电路,（1）传感器没有输入时C1=C2 电源经R1以I1向RL供电，而电容C2经电阻R2和负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。流过RL的总电流IL为I1和I2的代数和。,2、基本工作原理,同理，当e为负半周时，流过负载电阻RL的电流为I1和I2的代数和。,根据所给的条件，在一个周期内流过负载电阻上平均电流I1=I2、I1=I2且方向相反，流过RL的平均电流为零。,三、二极管双T形交流电桥,5.3 电容式传感器测量电路,（2）传感器有输入时C1C2 若传感器输入不为0，则C1C2, I1I2, 在一个周期内通过RL上的平均电流不为零。因此，输出电压在一个周期内平均值为,2、基本工作原理,输出电压既与电源幅值和频率f 有关，又与电容C1和C2的差值有关。,三、二极管双T形交流电桥,5.3 电容式传感器测量电路,（2）传感器有输入时C1C2 当RL一定时，引入常数M，在一个周期内输出电压平均值可简写为,2、基本工作原理,当电源确定后，输出电压是电容C1和C2的函数。,（3）双T电路的特点 线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；,电源周期、幅值影响灵敏度，要求高度稳定； 输出阻抗与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点； 适用于具有线性特性的单组式和差动式传感器。,在环形二极管充放电法测量电容电路中，高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容进行充放电，环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。,四、环形二极管充放电测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,1、电路基本结构,输入方波加在电桥的A点和地之间，Cx为被测电容，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容，C为滤波电容，A为直流电流表。,二极管双T形交流电桥的改进,（1）当输入的方波由E1跃变到E2时，电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充电到E2。 电容Cx的充电电流为i1，Cd的充电电流为i3。在充电过程中T1这段时间内，VD2、VD4一直处于截止状态，由A点向C点流动的电荷量为,四、环形二极管充放电测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,在放电过程中T2这段时间内，VD1、VD3截止，由C点向A点流过的电荷量为,2、基本工作原理,（2）当输入的方波由E2返回到E1时，Cx、Cd放电，两端的电压由E2下降到E1，放电电流分别为i2和i4。,（3）设方波的频率f=1/T0即每秒钟要发生的充放电过程的次数，由C点流向A点的平均电流为I2, 从A点流向C点的平均电流为I3, 流过从C至A支路的瞬时电流平均值为,四、环形二极管充放电测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,环形二极管充放电测量电路的输出电流I正比于传感器电容值的增量Cx。,2、基本工作原理,（4）令Cx的初始值为C0，Cx为Cx的增量，Cx=C0+Cx。 初始调节Cd=C0，则有,差动脉冲调宽电路，通过对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。 通过低通滤波器，被测量的变化转换为直流信号输出。,五、脉冲宽度调制测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,当接通电源后，若触发器Q端为高电平，则触发器通过R1对Cx1充电。,2、基本工作原理,1、电路基本结构,Cx1、Cx2为差动式传感器的两个电容；若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。,当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，使Q端为低电平。此时，电容Cx1通过二极管VD1迅速放电至零，而触发器经R2向C2充电。,五、脉冲宽度调制测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,2、基本工作原理,当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转。此时，电容Cx2通过二极管VD2迅速放电至零。 如此交替激励。,因此，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容Cx1、Cx2的调制。,（1）当Cx1=Cx2时，触发器两端电平的脉冲宽度T1和T2相等，测量电路在一个周期T=T1+T2时间内输出平均电压为零。,五、脉冲宽度调制测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,2、基本工作原理,（2）当Cx1Cx2时，C1和C2充放电时间常数发生变化，触发器两端电平的脉冲宽度T1和T2不相等，测量电路在一个周期T=T1+T2时间内输出平均电压为,五、脉冲宽度调制测量电路,5.3 电容式传感器测量电路,2、基本工作原理,（3）在一个周期内输出平均电压与传感器电容的关系为,对差动变极距型平行板电容传感器有,同理，变面积型电容传感器有,因此，差动脉冲宽度调制电路适用于差动电容式传感器，并具有理论上的线性特性。 电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；无元件线性要求；经低通滤波器可输出大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。,第五章 电容式传感器,5.1 电容式传感器工作原理和结构 5.2 电容式传感器等效电路 5.3 电容式传感器测量电路 5.4 电容式传感器应用,电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器应用广泛。 精确测量：位移、厚度、角度、振动等物理量；力、压力、差压、流量、成分、液位等参数。 在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。,一、电容式压力传感器,5.4 电容式传感器应用,差动型电容式压力/压差传感器： 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，两个电容器的电容量，一个