第4章-电容传感器及测量电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,1,第四章 电容传感器,2,电容传感器：被测物理量变化导致传感器的电容量变化,通过测量电容量的变化,实现非电物理量的电测量,3,4.1,电容式传感器的工作原理和结构,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为,式中,:C,电容量，,F(,法拉）,电容极板间介质的介电常数,=,0,r,0,为真空介电常数,r,为极板间介质相对介电常数,;,S,两平行板所覆盖的面积（,m,2,）,;,d,两平行板之间的距离,(m),。,4,对电容有影响的参数,有效面积,S,、,间距,d,，,相对介电常数,r,当被测参数变化使得式（,4-1,）,中的,S,、,d,或,（,r,）,发变化时,电容量,C,也随之变化。,如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。,5,一、变面积（,S,）型,改变平板电容器有效截面积的方法：,直线位移,角位移（旋转）,6,1.,角位移式,当动极板有一个角位移,时,动极板与定极板间的有效面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。,收音机中的调谐电容就是这种形式,7,当,=0,时,两平板之间的有效面积为,S,。,当旋转,角时。对于图,4-1,（,a,）所示结构的平板电容器，有效面积变为,电容量变为,电容量,C,与角位移量,线性比例,增大，电容量,C,变小,8,灵敏度,灵敏度与角位移无关,对于某个具体的变角位移电容传感器，,S,、,d,、,是常数,灵敏度是常数。,9,2.,直线位移型,当动片,1,相对于定片,2,有一直线位移,x,时,两极板之间的有效面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。,10,在初始位置，动片与定片无相对位移，有效面积,电容量变为,电容量,C,X,与位移量,x,线性比例,x,增大，电容量,C,X,变小,动片移动,x,有效面积,11,灵敏度,灵敏度与位移,x,无关,对于某个具体的变角位移电容传感器，,b,、,d,、,是常数,灵敏度是常数。,12,二、变介质介电常数（,）型,不同的电介质,具有不同的介电常数,变介质,常用于,测液体容量（例如飞机油箱的油量）,液位高低,也可用于检测片状（薄膜）电介质的厚度,13,1.,电容测液位,对于该图所示电容液位计,高度为,h1,的一部分,液位计,总电容相当于,C1,、,C2,并联,高度为,h2,的一部分,C2,C1,C2,14,故总电容,我们需要检测的是,h1,15,2.,电容测厚,待测电介质厚度为,d0,平板电容传感器两极板间距,d,待测电介质厚度为,d,1,平板电容传感器两极板间距,d,基本间的空气介质厚度,d,0,=d-d,1,16,对于该结构，可以认为是由空气介质、电介质构成的两个电容,C,0,，,C,1,串联,C,可以方便的测量，,电介质厚度,d1,也就可以测量,可以得出总的电容,C,为：,17,三、变极板距离,(d),型,图,4-4,为变极距型电容式传感器的原理图。,当传感器的,r,和,S,为常数,初始极距为,d0,时,由式（,4-1,）可知其初始电容量,C0,为,18,若电容器极板间距离由初始值,d,0,缩小,x,电容量增大,C,则有,由该式可知,传感器的输出特性,Cx,=,f(x,),不是线性的。,由于,19,在,d,0,较小时,对于同样的,d,变化所引起的,C,可以增大,从而使传感器灵敏度提高。,但,d,0,过小,容易引起电容器击穿或短路,同时对制造和使用要求也提高。,为解决间隙小而造成的耐压低问题，可以在极板间使用特殊的绝缘材料，例如云母、聚酰亚胺等,20,一般变极板间距离电容式传感器：,起始电容在,20,100pF,之间,极板间距离在,25,200m,的范围内,最大位移应小于间距的,1/10,这类传感器在微位移测量中应用最广。,21,单电容传感器的特点,优点：结构简单,缺点：线性度低、灵敏度低,22,四、差动电容传感器,单电容传感器：具有结构简单的优点,缺点：线性度低、灵敏度低,差动电容传感器可以提高线性度和灵敏度。,差动电容传感器有两种结构,变间距,d,变面积,S,23,1.,变间距,d,将两个边检举行电容传感器组合构成,中间基板上下移动1,）初始位置：,中间基板上下移动。,d1,与,d2,一个增加一个减小,上下两个极板与中间极板构成的电容其电容量一个增加一个减小,差动,24,（,2,）上移,差动输出,d1=,d-|x,|,d2=d1=,d+|x,|,25,对于电容传感器，,X,相对于,d,比较小（小于,1/10,）,灵敏度增加了,输出量,C,与位移量,X,近似为线性关系。,26,（,3,）下移,差动输出,d1=,d+|x,|,d2=d1=,d-|x,|,27,对于电容传感器，,X,相对于,d,比较小（小于,1/10,）,当考虑,x,量，上移大于,0,，下移小于,0,，则,灵敏度增加了,输出量,C,与位移量,X,近似为线性关系。,28,2.,变有效面积,S,两个圆筒形电容器,内电极上下移动,（,1,）初始位置,（,2,）上移,（,3,）下移,中间圆筒电极与上下两个外圆筒的间隙很小，,有效面积可以按照,2r,计算,29,第二节 测量电路,电容传感器的输出电容值：几皮乏,几十皮乏,通过测量电路进行测量,30,一、测量电桥,1.,单臂桥,（,1,）初始状态,C,X,=C,3,=C,U,O,=0,B,A,31,（,2,）工作状态,:C=C-C,32,（,3,）工作状态,:C=C+C,33,2.,差动桥,C1,、,C2,为差动电容,（,1,）初始状态,C11=C2=C,（,2,）工作状态,C1=C+C,C2=C-C,3,）工作状态,C1=C-C,C2=C+C,34,（,2,）工作状态,:C1=C+C,C2=C-C,这里的激励信号为单臂桥的,2,倍（,2U,），如果还是按照单臂桥的激励信号为,U,，则信号增强了,1,倍,电容变化与,U,O,变化的非线性被消除,35,（,3,）工作状态,:C1=C-C,C2=C+C,这里的激励信号为单臂桥的,2,倍（,2U,），如果还是按照单臂桥的激励信号为,U,，则信号增强了,1,倍,电容变化与,U,O,变化的非线性被消除,36,3,，紧耦合桥,（,1,）初始状态,（,2,）,C1=C+C,，,C2=C-C,（,3,）,C1=C-C,，,C2=C+C,37,二、差动脉冲调制电路,一种电路原理如图,R=1,S=1,，维持，,R=1,S=0,置,1,，,R=0,S=1,清零，,R=0,S=0,输出不确定,38,应该是这样的,39,三、电容调频电路,公式,工作状态,初始状态，,C=0,，振荡频率,f=f0,工作时，由于电容变化,振荡频率变化,通过检测频率，来测量电容的变化,40,四、运算放大器测量电路,教材,P.70,自己看一下。,