电容式传感器-习题.ppt

1、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（

2、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

3、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。,1

4、1,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R1R2;当C1=C2时,流过RL的电流IL和IL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

5、：,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=8.8510-12F/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,=3.541012（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=C0C，由双T二极管网络知其输出电压,Usc=2KUifC,18,9-3某霍尔元件lbd=103.51mm3，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/AT，试求其输出霍尔电势及载流子浓度。,解：由KH=1/ned，得（1）n=