变面积式差动电容传感器省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

模块三模块三 传感器原理及检测实训传感器原理及检测实训变面积式差动电容传感器变面积式差动电容传感器浙江经济职业技术学院浙江经济职业技术学院徐文徐文第1页3.2 电容式传感器电容式传感器 电感式传感器是以电容器作为传感元件，将被测量改变转换为电容量改变一个传感器。返回首页第2页分类分类:电容式传感器电容式传感器参数分类参数分类位移分类位移分类变面积型变面积型变介电常数型变介电常数型变极距型变极距型角位移式角位移式极板形状分类极板形状分类组成份类组成份类线位移式线位移式单一式单一式差动式差动式3.2 电容式传感器电容式传感器返回首页第3页w3.2.1 基本原理与结构类型基本原理与结构类型w3.2.2 输入输入-输出特征输出特征w3.2.3 等效电路分析等效电路分析w3.2.4 接口电路接口电路w3.2.5 变面积式差动圆柱型电容传感器实训变面积式差动圆柱型电容传感器实训3.2 电容式传感器电容式传感器返回首页第4页3.2.1 基本原理与结构类型基本原理与结构类型 经典电容式传感器中电容通常做成经典电容式传感器中电容通常做成平行平面平行平面形形或或平行曲平行曲面形面形。以平板电容器为例（原理图以下），若忽略其边缘效。以平板电容器为例（原理图以下），若忽略其边缘效应，其电容量应，其电容量C为：为：平板电容器原理+dA d d、A A或或发发生生改改变变时时，都都会会引引发发电电容改变。容改变。返回首页第5页3.2.1 基本原理与结构类型基本原理与结构类型 多多层层介介质质 A 极板覆盖面积极板覆盖面积 单层介质单层介质 平行平面平行平面电电容容返回首页改变极板面积变面积式；改变极板面积变面积式；改变极板距离变间隙式；改变极板距离变间隙式；改变介电常数变介电常数式。改变介电常数变介电常数式。第6页3.2.1 基本原理与结构类型基本原理与结构类型当当 时，时，x 0 时，时，ln x 展成展成 n 级数，取第一项，级数，取第一项，令，令 ，所以所以L 覆盖覆盖长长度度 平行曲面形（同轴圆筒形）电容平行曲面形（同轴圆筒形）电容返回首页第7页3.2.2 输入输入-输出特征输出特征1、变极距型、变极距型图图3-2-1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 返回首页第8页3.2.2 输入输入-输出特征输出特征(1)单一式图单一式图3-2-1(a)初始时初始时 动极板上移动极板上移(2)差差动动式式图图3-2-1(b)返回首页第9页3.2.2 输入输入-输出特征输出特征图图3-2-2 线位移式变面积型结构线位移式变面积型结构 2、变面积型、变面积型(1)线位移式线位移式初始时初始时移动移动 l 后后返回首页第10页3.2.2 输入输入-输出特征输出特征筒状线位移变面积型筒状线位移变面积型返回首页第11页3.2.2 输入输入-输出特征输出特征图图3-2-3 变面积型差动式结构变面积型差动式结构(2)角位移式（差动结构）角位移式（差动结构）返回首页第12页3.2.2 输入输入-输出特征输出特征 扇形结构扇形结构 初始时初始时 转动转动 后后 所以所以 柱面形结构柱面形结构 图图3-2-3(b)公式同上公式同上返回首页第13页3.2.2 输入输入-输出特征输出特征图图3-2-4 线位移式变介质型差动结构线位移式变介质型差动结构 3、变介质型（差动式）、变介质型（差动式）返回首页第14页3.2.2 输入输入-输出特征输出特征初始时初始时 介质介质()块右移块右移 时，时，所以所以同理同理故故返回首页第15页3.2.3 等效电路分析等效电路分析1、等效电路、等效电路 RP 并联损耗电阻并联损耗电阻 Rs 串联电阻串联电阻 L 引线电感引线电感RP 代表极板间泄漏电阻和极板间介质损耗；代表极板间泄漏电阻和极板间介质损耗；Rs 代表引线电阻代表引线电阻L 是电容器本身电感和外部引线电感是电容器本身电感和外部引线电感图图 3-2-5 电容传感器等效电路电容传感器等效电路返回首页第16页3.2.3 等效电路分析等效电路分析结论：结论：1、激励频率、激励频率 通常通常2、每当改变激励频率或更换连接电缆时须重新进行、每当改变激励频率或更换连接电缆时须重新进行 标定标定2、引线电感影响、引线电感影响 等效电容等效电容两边同乘两边同乘 所以所以实际相对变量为实际相对变量为返回首页第17页3.2.4 接口电路接口电路1、百分比运算电路、百分比运算电路图图 4-2-6 百分比运算法测量电路百分比运算法测量电路（a）恒电流激励电路恒电流激励电路（b）恒电压激励电路恒电压激励电路（c）恒电压激励差动电路恒电压激励差动电路1返回首页第18页3.2.4 接口电路接口电路(1)恒电流激励电路恒电流激励电路3-2-6(a)应用于单一变极距式电容传感器应用于单一变极距式电容传感器(2)恒电压激励电路恒电压激励电路3-2-6(b)应用于变面积式和变介质式电容传感器应用于变面积式和变介质式电容传感器(3)恒电压激励差动电路恒电压激励差动电路3-2-6(c)应用于变面积差动式电容传感器应用于变面积差动式电容传感器(0CCUUx=)0i.返回首页第19页3.2.4 接口电路接口电路2、交流电桥、交流电桥(1)电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥 图图3-2-7 (a)(2)变压器电桥变压器电桥 图图3-2-7 (b)开路（开路（ZL时）输出电压都为时）输出电压都为Z1 和和 Z2 若为两个电容传感器，则若为两个电容传感器，则应用于变极距差动式电容传感器应用于变极距差动式电容传感器返回首页第20页3.2.4 接口电路接口电路图图 3-2-7 两种交流电桥两种交流电桥（a）电阻平衡臂交流电桥电阻平衡臂交流电桥 （b）变压器电桥变压器电桥返回首页第21页3.2.4 接口电路接口电路图图3-2-8 二极管环形电桥二极管环形电桥3、二极管环形电桥、二极管环形电桥 流经电流表流经电流表 M 瞬时电流平均值为瞬时电流平均值为返回首页第22页3.2.4 接口电路接口电路4、差动脉冲调宽电路、差动脉冲调宽电路(1)RC 电路微分方程电路微分方程 当当 ui 从从 0 跳变到高电平跳变到高电平 UOH 后，后，代入上式得代入上式得uo 从从 0 上升到上升到 UR 时间为时间为返回首页第23页3.2.4 接口电路接口电路(2)差动电容脉冲调宽电路工作过程差动电容脉冲调宽电路工作过程 图图 3-2-9 中，中，C1 和和 C2 为差动电容传感器两个电容。双稳为差动电容传感器两个电容。双稳态触发器两端分别输出高电平态触发器两端分别输出高电平 UOH 和低电平和低电平 0。当。当 Q 端从端从 0 跳变到跳变到 UOH 端，端，从从 UOH 跳变到跳变到 0 时，时，C2 经过经过 D2 快速放电到快速放电到0，UOH 经过经过 R1 对对 C1 充电。在充电。在 C1 充电到达充电到达 UR 时，比较器发时，比较器发生跳变，使触发器翻转。于是生跳变，使触发器翻转。于是 C2 开始经过开始经过 R2 充电，而充电，而 C1 则则经过经过 D1 放电，重复上面同一过程。这么放电，重复上面同一过程。这么 Q 端和端和 端就形成端就形成了宽度分别为了宽度分别为 T1 和和 T2 方波：方波：返回首页第24页3.2.4 接口电路接口电路图图 3-2-9 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路图图3-2-10 脉冲宽度波形脉冲宽度波形返回首页第25页3.2.4 接口电路接口电路 图图 3-2-10 为几个主关键点波形图。由图可见在为几个主关键点波形图。由图可见在 Q 端和端和 端输出，是幅值为端输出，是幅值为 UOH 而宽度分别为而宽度分别为 T1 和和 T2 方波，方波基方波，方波基波频率波频率 f0 为为Q端与端与 端间差模电压经低通滤波后，输出电压为端间差模电压经低通滤波后，输出电压为 取取 R1=R2，将将 T1、T2式代入上式得式代入上式得将将 式代入上式得式代入上式得返回首页第26页3.2.4 接口电路接口电路 为了使输出电压为了使输出电压 Uo 为方波电压为方波电压 UAB 平均值，必须滤去方平均值，必须滤去方波基涉及其谐波只保留其直流分量，为此，要求波基涉及其谐波只保留其直流分量，为此，要求 fh f0。在在 fh fx。为同时满足这两方面要为同时满足这两方面要求，普通选取求，普通选取 。(3)低通滤波器截止频率低通滤波器截止频率 fh 选择选择返回首页第27页返回首页 电容式传感器位移特征电容式传感器位移特征要求：要求：传感器特征曲线，系统灵敏度，非线性误差 最小二乘法做出拟合直线 传感器边缘效应 3.3.5 变面积式差动电容传感器实训变面积式差动电容传感器实训第28页