电容式传感器

1、1，4章电容式传感器，1 .优点：I .温度稳定性好的电容式传感器的电容值通常与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，散热少，对稳定性影响小。电阻传感器容易产生铜损耗，零漂。第ii节特性和应用问题，4.2.1功能，2，4章电容式传感器，。简单的结构电容传感器结构简单，易于制造，保证高精度，非常小，可以进行特定的特殊测量；可以在高温、强辐射热、强磁场等恶劣环境下工作，能承受巨大的温度变化，还能承受高压力、高冲击、超负荷等；可以测量超高温和低压差，还可以测量波段磁工作。动态响应优秀的电容式传感器，由于充电的磁极之间的静电重力很小(约10-5n)，所需的作用能量很小，移动的部分很小，移动的部分很

2、薄，即质量很轻，因此固有频率高，动态响应时间短，在几兆hz频率下工作，特别适合动态测量。此外，如果油田损失小，可以高频率供电，系统运行频率高。可用于测量高速变化的参数。第3、4章电容式传感器、第4、4章电容式传感器、第5、4章电容式传感器、第6、第4章电容式传感器、第7、4章电容式传感器、图c为传感器容量、Rp为低频损耗并联电阻，包括板间泄漏和遗传损失。Rs是串行损耗电气组，包含高湿、高温、高频激励操作中的损耗电阻，如导线、板间和金属支撑。l电容器和引线电感；Cp是寄生电容，是提高电容传感器实用性能以克服其影响的关键之一，下面具体介绍。在实际应用中，特别是在高频中，关于l的存在，传感器的有效电

3、容器，图4.9电容传感器的等效电路，8，(4-21)，(4-22)，4章电容传感器，9，(图4.9电容传感器的等效电路为了消除边缘效果的影响，可以采用具有保护环的结构，如图4.10所示。保护环与接地板同心，电绝缘，间距越小越好，中间工作区场强分布均匀，保持等电位，克服边缘效应的影响。为了减少钣金的厚度，很多时候用石英或陶瓷等非金属材料，用板材敷薄金属，而不是把整个金属板做成板材。第4章电容式传感器，第10章，图4.10带有保护环的电容式传感器原理结构，第4章电容式传感器，3。静电重力电容式传感器由于两个磁极之间的静电场而产生的静电重力或转矩。静电引力的大小与磁极之间的工作电压、介电常数和磁极之

4、间的距离有关。一般来说，使用此静电的重力较小，但推力非常小的弹性元件时，必须考虑静电的重力引起的测量误差。11，4章电容式传感器，4 .寄生电容电容电容传感器由于结构和大小的限制，其功率容量较小(pF 数十pF)，属于低功率和高阻抗元件，因此容易受到外部干扰，尤其是与传感器电容平行(见图4.9)，重要影响传感器的输出特性，甚至有用的信号被锁定，因此可能无法使用。消除寄生电容的影响是电容传感器的实用关键。驱动电缆法实际上是等电位屏蔽法。如图4.11所示，在电容传感器和测量电路的前级之间使用双屏蔽电缆，并如图所示访问增益为1的驱动放大器。12、4章电容传感器，该布线方法消除了内部屏蔽和芯线等电位、

5、内部屏蔽容量泄漏，克服了寄生电容的影响；内外屏蔽之间的电容成为驱动放大器的负载。因此，驱动器放大器是输入阻抗高、容量负载高、比例为1的冻伤放大器。该方法的问题是，在宽波段中，严格的放大率为1，输出和输入的相位移位为0。为此，提出了用运算放大器驱动法代替上述方法。图4.11驱动电缆法原理图，13，图4.12整体屏蔽原理图，4章电容式传感器，14，4章电容式传感器，15，4章电容式传感器，16，4章电容式传感器，电容传感器设计中适当选择材料和相关结构参数，以满足温度误差校正要求。温度对介质的影响温度对介电常数的影响取决于介电，空气和云母的介电常数温度系数几乎为零。有些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油

6、等，其介电常数的温度系数更大。例如，煤油的介电常数的温度系数为0.07%/c。环境温度更改为50 会产生7%的温度误差，使用此类介质时要注意温度变化引起的误差。第17、4章电容传感器、电容传感器将可测量的非电容量转换为电容变化后，应使用测量电路转换为电压、电流或频率信号。图4.3.1。变压器桥是传感器的两个差动电容，如图4.13所示。桥的空载输出电压为第三测量电路(4-24)，18，图4.13变压器桥，变极电容传感器，替代，第四章电容传感器，第19，第四章电容传感器，第20，第四章电容传感器，(4-25)应用功能和要求：(1)电源、传感器容量、负载可以同时从一个点接地。(2)二极管D1、D2在

7、高水平工作，因此非线性失真较小。(3)灵敏度与电源频率有关，因此电源频率必须稳定。(4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近，以消除电缆寄生电容的影响。线条很简单。(5)输出电压高。4.3.3脉宽调制电路图4.15是差分脉宽调制电路。23，4章电容式传感器，开机后，如果触发器q端为高水平(U1)，末端为低水平(0)，则通过R1充电C1。当f点电位UF等于参考电压Ur时，比较器IC1反转触发器，产生使q端处于低水平，末端处于高水平(U1)的脉冲。此时，电容C1通过二极管D1迅速放电到0，触发器通过R2充电到C2。如果Gpoint potential UG等于基准电压Ur，比较器IC2输出

8、将翻转触发器并循环执行上述过程。图4.15差分脉宽调制电路，24，4章电容传感器可以看到电路放电的时间，即触发输出方波脉冲的宽度由电容C1，C2调制。如果C1=C2，则各点的电压波形如图4.16(a)所示，q和两端级别的脉冲宽度相同，两端之间的平均电压为0。在C1 C2中，各点的电压波形如图4.16(b)所示，q和两端之间的平均电压(通过低通滤波器)为(4-27)，表达式：T1和T2分别为q端和末端输出方波脉冲的宽度，即C1和C2的充电时间。25、4章电容式传感器、26、4章电容式传感器、27、4章电容式传感器、4.3.4。运算放大器电路这些电路不需要载波频率和额外解调线、波形和相移失真；输出

9、信号只能通过低通滤波器连接。直流信号的极性取决于C1和C2。变极距离和可变区域的电容传感器均可获得线性输出。此脉宽调制线易于与传感器配合使用，大大减少了传输错误和干扰。图4.17是电气结构图。C1是在高增益运算放大器的输入和输出端之间跳接的传感器电容。放大器的输入阻抗很高(Zi)，因此可以认为是理想的运算放大器。输出端是与C1成反比的电压U0，即(4-30)，28，图4.17运算放大器电路，4章电容传感器，类型Ui是信号源电压，C0是固定电容，因此很稳定。可变螺距电容传感器(C1= 0 ra/)、表达式(4-30)、4章电容式传感器、30、4章电容式传感器完全解决了电容传感器应用问题，因此(1

10、)分辨率极高，容量值在10-7以下(2)最小移动质量，非接触测量；低功耗、散热和滞后，可获得高静态精度和良好的动态特性。(3)结构简单，不包含机器材料或磁性，对环境(除高湿外)的适应性强。(4)过载能力强。第4章电容式传感器，图4.18电容式位移传感器1-拉杆；双插槽导轨；3-固定电极；4-活动电极，32，图4.19电容挠性加速度传感器，4张电容传感器，33，4张电容传感器，图4.19显示电容传感器和容量平衡挠性加速度计。敏感加速度的质量分量由石英表盘和力发生器线圈组成。石英柔性梁弹性支撑，稳定性很高。固定在外壳上的两个石英晶体管和移动板构成差动结构。阳极面都镀上金属膜，形成电极。由两个对称电

11、子线材和线圈组成的永磁动态环力发生器相互推拉结构，大大提高了磁路的利用率和抗干扰性。运行时，质量分量对加速度敏感，使电容器产生相应的输出，将测量(伺服)电路转换成比例电流输入力发生器，使电磁力和质量分量的惯性力精确平衡，从而使质量分量沿着加速的载体运动。此时，过电压发生器上的电流准确地反映了测量的加速度值。34，4章电容式传感器在传感器和力发生器的工作面上均使用微型气隙“压力膜阻尼”，提供比一般油阻尼更好的动态特性。典型石英电容式灵活加速度传感器的范围为0 150m/S2，分辨率为110-5m/s2，非线性误差和非重复误差不大于0.03%F.S。4.4.3电容式力和压力传感器图4.20显示了用于大吨位电子提升尺度的电容式称重传感器。平环弹性元件内腔的上、下平面分别有固定接合容量传感器的固定板和移动板。称重时，弹性元件受力变形，位移表盘，传感器电容改变，改变由相应电容组成的振荡频率。频率信号发送到计数、编码和显示部分。35，图4.20电容式称重传感器，第4章电容式传感器，图4.21电容式传感器1-移动板；2-晶体管；3-绝缘材料；4-弹性体；5面板支架，36，4章电容式传感器，图4.21是典型的小型差动电容式电压差