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文档简介
1、第4章电容式传感器7080年代,应用倉泛非电量电容兀件119201925电容传感器用于测量电容量变化第4章电容式传感器电容式传感器的特点是: 小功率、高阻抗;本身发热影响小;电容器小几十几百微法,具有高输出阻抗;静电引力小(极板间),工作所需作用力很小;可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好; 可进行非接触测量。A传统电容式传感器主要用于位移.振动.角度. 加速度等机械量精密测量。现逐渐应用力、压差.液面.成份含量等方面第4章电容式传感器电子a兀第4章电容式传感器4.1电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器是将被测量(如尺寸.压力等)的变化转 换成电容量变化的一种传感器。4.1.1工作原
2、理由物理学可知,两个平行金属极板组成的电容器,如果 不考虑其边缘效应,其电容为C亘d式中E -两个极板间介质的介电常数;S 两个极板相对有效面积;d-两个极板间的距离平板电容器5爆扳2F法拉& 85X1012F/m4.1电容式传感器的工作电容量,单位 真空介电常数极板间介质的相对介电常数 极板的有效面积(m2) 两平行极板间的距离(m)第4章电容式传感器的工作原理及类型4.1.1工作原理O +O+变换原理:将被测量的 变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容 器,它的电容量为: wSd$或£发生变化时,都会引 起电容的变化。再通过配套 的测量电路,将电容的变化 转换为电信号
3、输出。k22312254.1电容式传感器的4.1电容式传感器的工变面积型传感器貝t职義孑氏06(£二6)变介质型传感器777777/00/4.1电容式传感器的工作原7若d从6 6 - Ad,电容量C。 Co +AC,则有7777X7777/4.1电容式传感器的工作4.1 .2类型一、变极距型电容传感器.厂sSsSeS/Sd厂zWAC = Cod° /Sd d()d()do tsdd° cl东方仿 ACOPYRIGHT东方仿 ACOPYRIGHT当/时,变极距式电容传感器有近似线性关系以变极距型电容式感器一般用来测量微小变化的量。电容器灵敏度:£ =竺=三
4、£东方仿 ACOPYRIGHT4.1电容式传感器的工作原理及3东方仿 ACOPYRIGHT东方仿 ACOPYRIGHT为了获得高灵敏度,一般通过减小初始极距心來提高灵敏 度,但d。过小易引起电容器击穿或短路,可放置高介电常数材料 如云母片。 欲提高灵敏度,应减小间隙d,但受电容器击穿电压的限制; 非线性随相对位移的增加而增加,为保证一 定的线性度,应限制动极板的相对位移量。Ad/d=002 01 为改善非线性,可以采用差动式。赵极板差动结构的变间隙型电容传感器动极板堆本的变间隙空电容传感器ACAdCodo4.1电容式传感器的工作原理及类型C =2 AdCodo基本变问晾型色家传感麥和
5、差动变问隙型电家传威器的工作原理东方仿 ACOPYRIGHT4.1电容式传感器的工作原理及二、变面积型电容传感器改变极板间覆盖面积的电容式传感器 常用的有济睡輕和涯豹角位移型由呃*社咸契两种。4.1电容式传感器的工作原理及二、变面积型电容传感器 改变极板间覆盖面积的电容式传感器 种。角位移型线位移型常用的有线位移型电容式传感器和两种。、变面积型电容传感器1固定极板2动极板东方仿 ACOPYRIGHT4.1电容式传感器的工作原7:、变而积型电容传感器改变极板间覆盖面积的电容式传感器 两种。常用的有理隆巒j线位移型电容式传感器对于圆柱线位移型电容式传感器 ,当覆盖长度/?变化时,电容量 也随之变化
6、c z其电容为:c 2厨巾(厂2/门)动板筒2A变面积型电容传感器2I定极板2勾极板4.1电容式传感器的工作原动极板动极板外闘筒X2R定极板外圆筒L内圆筒丁/鼻导轨内圆筒丁工导轨乎板型4线位移式半岡型角位移式G = G(1-盍)ln(R/r)变而积型亀彖传感器工作原理东方仿貞8PYR3T4.1电容式传感器的工作二、变面积型电容传勺图所示为一直线位移型电容式传感器的原理图。当被测量的 变化引起动极板移动距离时, 容量C也随之改变,其值为:覆盖面积S就发生变化,电动极板F定极板sbd直线位移型电容式传感器厂- Ax)厂cbC = Cod° dACc-c4.1电容式传感器的工作说明:由此可
7、见电容C的相对变化C/C。与直线位移兀呈线性关 系;(2) 减小两极板间的距离必或增大极板的边长可提高传感器 的灵敏度,但的减小受到电容器击穿电压的限制,而增 大则受到传感器体积的限制。(3) 可以做成差动形式。4.1电容式传感器的工作原1三、变介电常数型电容传感器(b)9I;:;-,73Hz H'S AS酥歸邑迴廖圉國團这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a).位移( 图”)、液位(图c)。可根据极板间介质的介电常数随温度.湿度.容量 改变而改变来测量温度、湿度、容量(图)等4.1电容式传感器的工作原14.1电容式传感器的工作原理及b)金腐管外倉聚四氛乙烯套笹式C)图b的外观图C宰
8、+ Q液 誘加(什”4.2电容式传感器的灵敏度及4.2电容传感器的灵敏度及非线性东方仿 ft COPYRIGHT这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设 极板间只有一种介质,如图41情况。4.2电容式传感器的灵每_竺=竺(_i) = C £ 泰勒展开灵敏度:4.2电容式传感器的灵敏度;可见灵敏度非常数;为了保证一定的线性度,应限制动极板的位移量。 通常规定测量范围(!« 5,此时,传感器的灵 敏度近似为常数。在实际应用中,为了提高灵敏度、减小非线性误 差,大都釆用差动式结构。初始位置时,X r dc Z位移Ad动极板上移:7一。l + zW/()一 0 -石r药
9、 AC = C,-a= Co2 斗 + 2(旳 + 2(旳 + do 心 d° =2拧1 + (为+(为+0 “0 04.3电容传感器的等效电路431电容传感器的特点 结构简单、适应性强 动态响应好 可以实现非接触测量,具有平均效应点缺点: 输出阻抗高,负载能力差 寄生电容影响大掌握寄生电容的定义;输出特性非线性针对变极距型来说;4.3电容式传感器的等效哇4.44.3.2等效电路:亍二二与(b)图中C为传感器电容;RP为低频损耗并联电阻,它包含极板间 漏电和介质损耗;R为高频、高温、高频激励工作时的串联损 耗电阻,它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻;L为电 容器及引线电感;Cp为
10、寄生电容克服其影响是提高电容传感器 实用性能的关键之一。4.3电容式传感器的等效电路 可见在实际应用中,特别在高频激励时,尤需 要考虑厶的存在,会使传感器有效电容改变,从而引 起传感器有效灵敏度的改变。在这种情况下,每当 改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系 统重新进行标定。计算AB间有效电容Ce:4.3电容式传感器的等效传感器的灵敏度为:所以,电容传感器测量必须在同样条件下进行。 改变电源频率、更换电缆,必须重新标定。4.4电容传感器的设计要朮4.4电容传感器的设计要点-a)2LC4.4.1保证绝缘材料的绝缘性能须从选材结构加工工艺等方面来减小温 度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性
11、能O2消除利减小边缘效应效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且 产生非线性,因此应尽量消除或减小它。4.4电容传感器的设计要点4.4.3消除和减小寄生电容的影响寸寄生电容与传感器电容相关联,影响传感器的灵 敏度,而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度, 必须消除和减小它。4.4电容传感器的设计要点增加原始电容值可减小寄生电容的影响。注意传感器的接地和屏蔽。将传感器与电子线路的前置级(集成化)装在一个壳体内, 省去传感器至前置级的电缆。采用“驱动电缆”技术(也称“双层屏蔽等位传输”技术)。如图47釆用运算放大器法;整体屏蔽法。4.4电容传感器的设计要4.4.4防上和减小夕卜界干扰屏蔽和接地。增加原始
12、电容值以降低容抗。导线和导线要离得远,以减小导线间分布电容的静电感应。 导线要尽可能短,最好成直角排列,必须平行排列时可釆 用同轴屏蔽线。尽可能一点接地,避免多点按地。地线要用粗的良导体或 宽印刷线。尽量采用差动式电容传感电路,可减小非线性误差,提高 传感器灵敏度,减小寄生电容的影响和干扰。4.5电容式传感器的转换电路4.5电容式传感器的转换电路容式传感器把被测量转换成电路参数c。,从而使信号能 传输、放大、控制。但是同时,还根据需要将电路参数c进一步转换成电压、电流、 频率等电量参数。o目前这样的转换电路种类很多,一般归结为两大类型 调制型 脉冲型(或称为电容充放电器)限幅放大器4.5电容式
13、传感器的转换电路-4.5.1调制型电路G电容变换器=-2/J/C电容传感器的初始电容cx=c0, 一个常数:I4.5电容式传感器的转换电路冷 当电容传感器C*工作时,CX=CO+AC,则相应的谐 振频率变为:/n+A/-=/特点:转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。 具有较高的灵敏度,可以测量高至O.Olum级位移 变化量但非義性较差,可通过鉴频器(频压转换)转化为 电压信号后,进行朮M尝。配有这种电路的系统,在其电路输出端取得的是具有 调幅波的电压信号,其幅值近似地正比于被测信号。 主要有:和。上图为基本原理图和等效电路图,其中E2为二次侧感 应电动势.其值为4.5电容式传感器的转换
14、电欝E2 = -jcoMI-次侧通过互感在二次侧产生的感生电动势R为二次线圈的直流电阻值E.=L- + RI + - dtC对于电容c*而言有:4.5电容式传感器的转换带入上式可得:根据微分方程解的形式,可以得到Uc的表达式,进而可解得Uc的模为:7(l-LCA/y2)2 +/?2C>传感器的初始电容为电感电容回路的初始谐振频率为©)= 2妙)4.5电容式传感器的转换E设:将Q、G)Q2K带入Uc的表达式中,则有uc = K Q E?4.5电容式传感器的2谐振曲线(7o-V) To(ToW)4.5电容式传感器的转换电路图4-13(h)形式的电桥(变压器式电桥),使用元件最少,桥
15、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,容抗 分别为Zi=l/jcoC“和乙=巧3(2,假设电桥所接的放大器的输 入阻抗即本电桥的负羲为血电桥输出为4.5电容式传感器的转换电路"4.5电容式传感器的转换电陆 图4-13(h)形式的电桥(变压器式电桥),使用元件最少,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,容抗 分别为Zi=l/jcoC和和乙=巧3(2,假设电桥所接的放大器的输 入阻抗即本电桥的负羲为Rl,丽电桥输出为 (Cpcj 丿血WrL51 + 心(6 + 5)加当负载为兔为无穷衣时 一3)C" - J 宜Cx + Cx2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,对任何电桥的输电容式传感器(包括变极距),成线性关系4.5电容式传感由于电桥输出电压与电源电压成比例,因此 要求电源电压波动极
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