3.3.4 电容式传感器等效电路.ppt

3 2电容式传感器等效电路 L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感 r由引线电阻 极板电阻和金属支架电阻组成 C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆 所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极板间等效漏电阻 低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大 L和r的影响可忽略等效电容Ce C0 Cp 等效电阻Re Rg Ce Rg 高频等效电路 电容的阻抗变小 L和r的影响不可忽略 漏电的影响可忽略 其中Ce C0 Cp 而re r 由于电容传感器电容量一般都很小 电源频率即使采用几兆赫 容抗仍很大 而R很小可以忽略 因此 两点注意 工作频率等于或接近谐振频率时 谐振频率破坏了电容的正常作用 因此 工作频率应该先择低于谐振频率 电容式传感器的有效电容除与位移有关外 还与角频率有关 因此 在实际应用时必须与标定的条件 相同 3 3电容传感器的测量电路 3 3 1电桥电路图3 10所示为交流电桥测量电路 图3 10 a 为单臂接法的交流电桥测量电路 其中电容C1 C2 C3 Cx构成电容桥的四臂 Cx为电容传感器 高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上 从桥路的另一个对角线取输出电压 当电容式传感器输入的被测量x 0 输出Cx C0时 交流电衡 有 Uo 0 图3 10电容传感器的交流电桥 3 3电容传感器的测量电路 而当x 0时 传感器输出为Cx C0 C 交流电桥失去平衡 Uo 0 则可按电桥输出电压的大小来标定被测量x 此种电路常用于料位自动测量仪中 图3 10 b 为差动电桥测量电路 其空载输出电压为 上式表明 差动接法的交流电桥电路的输出电压Uo与被测电容 C之间成线性关系 此种线路常用于尺寸自动检测系统中 1 调频电路 调频电路 当被测信号为零时 C 0 振荡器有一个固有振荡频率f0 当被测信号不为零时 c 0 此时频率为 具有较高的灵敏度 可测至0 01 m级位移变化量易于用数字仪器测量 并与计算机通讯 抗干扰能力强 2 运算放大器式电路 最大特点 能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 运算放大器式电路原理图 图3 7运算放大式电路 2 运算放大器式电路 C0 A Cx 说明 1 输出电压Uo与电容传感器两电极的间距成正比 这就从原理上解决了使用单个变极距式电容传感器输出特性的非线性问题 由于实际的运算放大器不可能完全满足理想运放的条件 因此仍具有一定的非线性误差 但只要其输入阻抗和增益足够大 这种误差是相当小的 按这种原理已制成了能测出0 1 m的电容式测微仪 2 由上式可知 输出电压Uo还与Us和C0有关 因此 该电路要求电源电压必须采取稳压措施 固定电容必须稳定 2 运算放大器式电路 3 4电容式传感器的应用 1 电容式差压传感器 2 电容式加速度传感器 3 电容式振动位移传感器 电容式差压传感器 结构简单 灵敏度高 响应速度快 约100ms 能测微小压差 0 0 75Pa 真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空 10 5Pa 即可 1 5 固定极板2 壳体3 簧片4 质量块6 绝缘体精度较高 频率响应范围宽 量程大 可以测很高的加速度 电容式加速度传感器 a 测振幅 电容式位移传感器应用 电容式液位传感器电容式液位传感器是将被测介质液面变化转换为电容量变化的一种介质变化型电容式传感器 图3 16 a 是用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器 当被测液面变化时 两电极间的介电常数发生变化 从而导致电容量的变化 图3 16 b 适用于测量导电液体的液位 液面变化时相当于外电极的面积在改变 这是一种变面积型电容传感器 3 4电容式传感器的应用 图3 16电容液位传感器 例 电容式料位传感器图3 17是电容式料位传感器结构示意图 测定电极安装在罐的顶部 这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器 当罐内放入被测物料时 由于被测物料介电常数的影响 传感器的电容量将发生变化 电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关 且成比例变化 检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度 3 4电容式传感器的应用 图3 17电容料位传感器示意图 3 4电容式传感器的应用 传感器的静电电容可由下式表示 式中 1 被测物料的介电常数 0 空气的介电常数 D2 储罐的内径 d1 测定电极的直径 x 被测物料的高度 3 4电容式传感器的应用 假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C0 放入物料后传感器静电电容为C1 则两者电容差为 C C1 C0由式上可见 两种介质常数差别越大 极径D与d相差愈小 传感器灵敏度就愈高 3 5容栅式