电容式传感器-习题.ppt

第4章电容式传感器 4 1传感器的工作原理及类型4 2电容传感器的灵敏度及非线性4 3电容传感器的特性等效电路4 4电容传感器的设计要点4 5电容式传感器的转换电路4 6电容式传感器的应用举例 2 电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后 必须采用测量电路将其转换为电压 电流或频率信号 第三节测量电路 3 2 交流电桥 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂或两个臂 另两个臂可以是电阻 电容或电感 也可以是变压器的两个次级线圈 如图4 13所示 图中U为电桥电源电压 U0为电桥输出电压 4 图4 13电容式传感器构成交流电桥的一些形式 5 图中U为电桥电源电压 U0为电桥输出电压 图4 13 h 形式电桥 变压器式电桥 使用元件少 桥路内阻最小 因此目前较多采用 该电桥两臂是电源变压器二次线圈 设感应电动势为E 另一两臂为传感器的两个电容 如果电桥所接的放大器的输入阻抗即本电桥的负载阻抗RL 则电桥输出为 6 图中U为电桥电源电压 U0为电桥输出电压 RL 时 由上式可见 差分式电容传感器接入变压器式电桥中 当放大器输入阻抗极大时 对任何类型的电容式传感器 电桥的输出电压与输入量均成线性关系 7 4 5 2脉冲型电路脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电 两种性能较好 较常用的电路为双T型充放电网络脉冲调宽型电路 8 图中U为电桥电源电压 U0为电桥输出电压 图4 14为双T型充放电网络原理图 图中u为一对称方波的高频电源 C1和C2为差分电容式传感器的电容 对于单极式电容传感器可以其中之一为固定电容 另一个为传感器电容 RL为负载电阻 VD1 VD2为两个理想二极管 导通R 0 截至R R1 R2为固定电阻 一 双T形充放电网络 9 图4 14双T型充放电网络 10 工作原理简述如下 若将二极管理想化 则正半周时 二极管VD1导通 VD2截止 电容C1被以极短的时间充电至U 电容C2的电压初始值为U 电源经R1以I1向RL供电 而电容C2经R2 RL放电 流过RL的放电电流为I2 流过RL的总电流IL为I1和I2的代数和 如图4 15 a 所示 11 图4 15双T型充放电网络等效电路 12 在负半周时 二极管VD2导通 VD1截止 电容C2很快被充电至电压U 电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电 与此同时 电容C1经电阻R1 负载电阻RL放电 流过RL的放电电流为i2 流过RL的总电流iL 为i1 和i2 的代数和 如图4 15 b 所示 13 因为VD1和VD2的特性相同 且R1 R2 当C1 C2时 流过RL的电流IL和I L的平均值大小相等 方向相反 在一周内流过RL的平均电流为零 RL上没有电压输出 当C1或C2变化时 在RL上产生的平均电流不再为零 因而有信号输出 此时的输出电压 14 当R1 R2 R RL已知时 K为常数时 从式中可看到 灵敏度与高频方波电源的电压U及频率f有关 为保持工作的稳定性 需严格控制高频电源的电压和频率的稳定度 15 4 6如图所示的一种变面积式差动电容传感器 选用二极管双T网络测量电路 差动电容器参数为 a 40mm b 20mm dl d2 d0 1mm 起始时动极板处于中间位置 Cl C2 C0 介质为空气 0 8 85 10 12F m 测量电路参数 D1 D2为理想二极管 及R1 R2 R 10k Rf 1M 激励电压Ui 36V 变化频率f 1MHz 试求当动极板向右位移 x 10mm时 电桥输出端电压Usc 16 解 传感器初始电容 3 54 10 12 F 3 54pF 当动极板向右移 x 10mm时 单个电容变化量为 17 则C1 C0 C C2 C0 C 由双T二极管网络知其输出电压 Usc 2 K Ui f C 18 9 3某霍尔元件l b d 10 3 5 1mm3 沿l方向通以电流I 1 0mA 在垂直于lb面方向加有均匀磁场B 0 3T 传感器的灵敏度系数为22V A T 试求其输出霍尔电势及载流子浓度 解 由KH 1 ned 得 1 n 1 KH