传感器原理与电路设计第11讲电容

1、第5章 电容式传感器 11.19.20151第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用前言电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。特点：n结构简单、体积小、分辨率高；n可实现非接触式测量；n动态响应好；n能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；n电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。前沿变面积型工作原理变介质型变极距型第5章 电容式传感器 11.19.20152第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用1. 工作原理工作原理

2、0rAACdd ：极板间介质的介电常数；0 ：真空介电常数；r：极板间介质相对介电常数；A：两平行板所覆盖的面积；d：两平行板间的距离。变介质型变极距型变面积型前沿变面积型工作原理变介质型变极距型第5章 电容式传感器 11.19.20153第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用2. 变面积型电容式传感器工作原理电容改变量与水平位移成线性关系dbxaCCCr/)(0002()2(1)1lnlnlxlx lCCx lRRrr 0CxCl线位移变面积型0rAACdd axCC0前沿变面积型工作原理变介质型变极距型第5章 电容式传感器 11.19.20154第11讲GMES 2008目

3、录工作原理测量电路典型应用2. 变面积型电容式传感器工作原理电容改变量与角位移成线性关系角位移变面积型0rAACdd 0(1)AA0000001(1)rCACCCd 00CCCC前沿变面积型工作原理变介质型变极距型第5章 电容式传感器 11.19.20155第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用3. 变介质型电容式传感器工作原理002lnHCDd00 100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnHhhHhhCCCCDDDDDddddd 102(1)lnhCCCDd电容增量与被测液位的高度成线性关系相当于C1和C2并联前沿变面积型工作原理变介质型变极距型第5章

4、电容式传感器 11.19.20156第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用4. 变极距型电容式传感器工作原理电容增量与极板间距离的变化成近似直线关系000rACd 000002000111rdCdACCCCdddddd 200000011ddddCddCCCC00000(1)CddCCCdd00ddCC或泰勒展开前沿变面积型工作原理变介质型变极距型第5章 电容式传感器 11.19.20157第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用4. 变极距型电容式传感器工作原理击穿或短路问题一般极板间距在25200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器

5、主要用于微位移测量。00ddCCd0越小传感器灵敏度越高，过小容易击穿或短路。可在极板件加入高介电常数的云母材料。相当于电容串联。00000ggggC CACddCC 前沿变面积型工作原理变介质型变极距型第5章 电容式传感器 11.19.20158第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用4. 变极距型电容式传感器工作原理非线性问题200000011ddddCddCCCC分析同变磁阻式电感式传感器为了提高灵敏度减小非线性误差，通常采用差动结构10011CCdd20011CCdd30200011ddddddCC30200021ddddddCC 50300021222ddddddCCC

6、C2460000021CddddCdddd前沿变面积型工作原理变介质型变极距型第5章 电容式传感器 11.19.20159第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用1. 调频电路测量电路电容式传感器的电容值及电容变化值都十分微小，必须借助信号调节电路才能将其转换成与其成正比的电压、电流或频率，从而实现显示、记录和传输。相应的测量电路有调频电路、运算放大器、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。调频测量电路原理是将电容作为振荡器谐振回路的一部分012012()fL CCC0012012()fffL CCCC调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路第5章 电容式传感器

7、 11.19.201510第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用2. 运算放大器测量电路虚地：U+=U-=0高阻抗：Ii=000000011iCUZIIjIjwCwC 011xCxxxxxUZIIjIjwCwC 00 xII00ixCUUC 对平板电容器00id CUUA 输出电压与输入位移间存在线性关系能克服变极距型电容传感器的非线性dACx调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路第5章 电容式传感器 11.19.201511第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用3. 二极管双T型交流电桥测量电路过负载的平均电流不为0，RL上必有信号输出，其输出

8、在一个周期内的平均值为：当传感器没有输入时， C1C2， I1I2，一个周期内流过负载的平均电流为0；当传感器有输入时，C1C2，I1 I2，一个周期内流 2102102d1CCEfRRRRRRtRtItITRIULLLLTLL 特点：输出信号的上升时间取决于负载电阻RL，非常快，可用于测量高速机械运动。调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路第5章 电容式传感器 11.19.201512第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用4. 脉冲宽度调制电路测量电路111A1M1AM11CRUtUteUUt双稳态触发器输出电阻可忽略；二极管反向电阻无穷大；（近似线性）调频电

9、路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路第5章 电容式传感器 11.19.201513第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用4. 脉冲宽度调制电路测量电路MAA1AMln11UUUteUUtrBB222rAA111lnlnUUUCRTUUUCRT调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路第5章 电容式传感器 11.19.201514第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用4. 脉冲宽度调制电路测量电路2211Bm22Am11Bm212Am211BAAB0CRCRuCRuCRuTTTuTTTuuuu直流分量muCCCCu21210mBmAm21u

10、uuRR，设调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路第5章 电容式传感器 11.19.201515第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用4. 脉冲宽度调制电路测量电路mmmmmudduddddddCCudduddddddCCuddddudAdAdAdAuCCCCu00020121000201212112212121210有：，：当有：，：当如果采用差动电容：1.对于变极距型dAC可见，uo与d为线性关系调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路第5章 电容式传感器 11.19.201516第11讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用4. 脉冲宽度调制电路测量电路mmmmmuAAuAAAAAACCuAAuAAAA