电容式传感器原理介绍图文

1、 第三章 电容式传感器3.1 电容式传感器工作原理和结构 3.2 电容式传感器等效电路3.3 电容式传感器测量电路3.4 电容式传感器应用2 3.1 电容式传感器工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器的三种类型:变极距型、变面积型和变介电常数型。(l 4 考虑了电容器的损耗和电感效应, 电容式传感器的等效电路。一、电容式传感器等效电路3.2 电容式传感器等效电路根据等效电路,电容式 传感器有一个谐振频率,通 常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏传感器正常作用。因此,工作频率应该选择低 于谐振频率。并联损耗电阻 R p :表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。 并联损耗低频

2、时影响大,随着工作频率增高,容抗减小,影响就减弱。串联损耗电阻 R s :引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。 电感 L :电容器的电感和外部引线电感。 17 二极管双 T 形交流电桥电路中, e 为高频电源,提供了幅值为 U 的对 称方波, V D1、 V D2为特性完全相同 的两只二极管, R 1、 R 2为阻值相等 的两个固定电阻, C1、 C 2为传感器的两个差动电容。 三、二极管双T形交流电桥3.3 电容式传感器测量电路(1传感器没有输入 C 1=C2当 e 为正半周时,二极管 V D1导 通、 V D2截止,则电容 C1被以极短的时间充电至 U 。在前负半周时,电容 C 2已经充

3、电至电压 U 。1、电路基本结构2、基本工作原理22 二极管双 T 形交流电桥电路中, e 为高频电源,提供了幅值为 U 的对 称方波, V D1、 V D2为特性完全相同 的两只二极管, R 1、 R 2为阻值相等 的两个固定电阻, C1、 C 2为传感器的两个差动电容。 三、二极管双T形交流电桥3.3 电容式传感器测量电路(1传感器没有输入 C 1=C2当 e 为正半周时,二极管 V D1导 通、 V D2截止,则电容 C1被以极短的时间充电至 U 。在前负半周时,电容 C 2已经充电至电压 U 。1、电路基本结构2、基本工作原理23 三、二极管双T形交流电桥3.3 电容式传感器测量电路(

4、1传感器没有输入时 C 1=C2电源经 R 1以 I 1向 R L 供电,而电容 C 2经电阻 R 2和负载电阻 R L 放电,流过 R L 的 电流为 I 2。流过 R L 的总电流 I L 为 I 1和 I 2的 代数和。2、基本工作原理同理,当 e 为负半周时,流过负载电 阻 R L 的电流为 I 1和 I 2的代数和。根据所给的条件,在一个周期内流 过负载电阻上平均电流 I 1=I2、 I 1=I 2且方 向相反,流过 R L 的平均电流为零。24 三、二极管双T形交流电桥3.3 电容式传感器测量电路(2传感器有输入时 C 1 C 2当 R L 一定时,引入常数 M ,在一 个周期内输

5、出电压平均值可简写为2、基本工作原理(21C C MUf U o =当电源确定后,输出电压是电容 C 1和 C 2的函数。(3双 T 电路的特点 线 路 简 单 , 可 全 部 放 在 探 头 内,大大缩短了电容引线、减小了分 布电容的影响;电源周期、幅值影响 灵敏度,要求高度稳定; 输 出 阻 抗 与 电 容 无 关,克服了电容式传感器高 内阻的缺点;适用于具有线性特性 的单组式和差动式传感器。26在环形二极管充放电法测量 电容电路中,高频方波信号源, 通过环形二极管电桥,对被测电 容进行充放电,环形二极管电桥 输出一个与被测电容成正比的微 安级电流。四、环形二极管充放电测量电路3.3 电容

6、式传感器测量电路1、电路基本结构输入方波加在电桥的 A 点和 地之间, C x 为被测电容, C d 为平 衡电容传感器初始电容的调零电 容, C 为滤波电容, A 为直流电 流表。二极管双 T 形交流电桥的改进27(1 当输入的方波由 E 1跃变到 E 2时,电容 C x 和 C d 两端的电压皆由 E 1充 电到 E 2。电容 C x 的充电电流为 i 1, C d 的充电 电流为 i 3。在充电过程中 T 1这段时间 内, V D2、 V D4一直处于截止状态,由 A 点向 C 点流动的电荷量为四、环形二极管充放电测量电路3.3 电容式传感器测量电路在放电过程中 T 2这段时 间内, V

7、 D1、 V D3截止,由 C 点向 A 点流过的电荷量为2、基本工作原理(121E E C q d =(2 当输入的方波由 E 2返回到 E 1时, C x 、 C d 放电,两端的电压由 E 2下 降到 E 1,放电电流分别为 i 2和 i 4。(122E E C q x =28(3 设方波的频率 f=1/T0即每秒 钟要发生的充放电过程的次数,由 C 点 流向 A 点的平均电流为 I 2, 从 A 点流向 C 点的平均电流为 I 3, 流过从 C 至 A 支路的 瞬时电流平均值为四、环形二极管充放电测量电路3.3 电容式传感器测量电路环形二极管充放电测量 电路的输出电流 I 正比于传感

8、器电容值的增量C x 。2、基本工作原理( ( (121232d x d x C C E f E E f C E E f C I I I =(4 令 C x 的初始值为 C 0,C x 为 C x 的增量, C x =C0+C x 。初始调节 C d =C0,则有xd x C E f C C E f I = (29 差动脉冲调宽电路,通过对 传感器电容的充放电,使电路输 出脉冲的宽度随传感器电容量变 化而变化。通过低通滤波器,被测量的 变化转换为直流信号输出。 五、脉冲宽度调制测量电路3.3电容式传感器测量电路当接通电源后,若触发器 Q 端为高电平,则触发器通过 R 1对 C x1充电。2、基

9、本工作原理1、电路基本结构C x1、 C x2为差动式传感器的两 个电容;若用单组式,则其中一 个为固定电容,其电容值与传感 器电容初始值相等; A 1、 A 2是两 个比较器, U r 为其参考电压。30 当 F 点电位 U F 升到与参考电压 U r 相等时,比较器 A 1产生一脉冲 使触发器翻转,使 Q 端为低电平。 此时,电容 C x1通过二极管 V D1迅 速放电至零,而触发器经 R 2向 C 2充电。五、脉冲宽度调制测量电路3.3 电容式传感器测量电路2、基本工作原理当 G 点电位 U G 与参考电压 U r 相等时,比较器 A 2输出一脉冲使 触发器翻转。此时,电容 C x2通过 二极管 V D2迅速放电至零。如此交替激励。因此,电路充放电的时间, 即触发器输出方波脉冲的宽度受 电容 C x1、 C x2的调制。31 3.4 电容式传感器应用 三、电容式加速度传感器 基本结构： 两个固定极板间有一个 用弹簧片支撑的质量块m，质 量块的两端面经抛光后作为 动极板。 绝缘体 定极板1 C1 弹簧片 m a 基本原理： 当传感器测量竖直方向 的振动时，因m的惯性作用， 使其相对固定电极产生位 移，两个差动电容器C1 和C2 定极板2 质量块（动极板） 的电容发生相应的变化，其 中一个变大，另一个变小。 C2 36 3.4 电容式传感