傳感器第三章 電容式傳感器

傳感器第三章電容式傳感器第1頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、變面積型原理見圖。第2頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月左圖為角位移式電容傳感器，當(dāng)時當(dāng)時由上式可見，與成線性關(guān)系。右圖為直線位移式電容傳感器，從圖上可看出同樣與成線性關(guān)系。第3頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月對于直線位移傳感器其靈敏度當(dāng)位移量過大時邊緣效益會使傳感器的線性變壞。二、變介電常數(shù)型如圖是一種變介電常數(shù)型的電容式傳感器。氣體介質(zhì)部分電容量第4頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月液體介質(zhì)部分第5頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月總電容令得第6頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月下圖，為另一種形式的變介電常數(shù)的傳感器。第7頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、變極板間距型原理見圖。設(shè)初始時極板間距為，初始電容為，則第8頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)極板間距減少時，則電容量為將上式展開為級數(shù)第9頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月略去高次項，得非線性誤差第10頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月這種傳感器的靈敏度為了提高線性度，通常采用差動結(jié)構(gòu)。如下圖第11頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月分析前面左圖中的傳感器，設(shè)動片上移，則增大，減小，若果初始電容都為，有因此差動輸出為第12頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月略去高次項非線性誤差為第13頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、等效電路等效電路如圖。等效阻抗為3.2電容式傳感器的測量電路2006.9.22JC204->第14頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮并聯(lián)電阻很大，上式簡化后，得等效電容式中因此實際的電容相對變化量為上式表明，傳感器的輸出與線路有關(guān)系。2007.9.20JGLX303->第15頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、測量電路（一）交流不平衡電橋設(shè)計交流電橋初始時處于平衡狀態(tài)，其輸出電壓為零，即當(dāng)橋臂阻抗變化時，其輸出為令第16頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月則上式，變?yōu)閷τ陔娙輦鞲衅?，一般可以認(rèn)為是實數(shù)，因為

用指數(shù)形式表示第18頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月則變?yōu)闃虮巯禂?shù)的模和相角可以表示為在電容相對變化和電源電壓一定的情況下，輸出的信號的幅度決定于，輸出的相位決定于。第19頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月函數(shù)和的曲線如下圖。第20頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月分析常用的不同形式的交流電橋。下圖中由上面曲線知:因此得第21頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月下圖中由上面曲線知:因此得對于差動電橋有第22頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）二極管環(huán)形檢波電路電路如圖。整個電路分為5個主要部分：1.振蕩器，產(chǎn)生激勵電壓通過變壓器TP加到次級L1，L2；2.D1-D4組成的二極管環(huán)形檢波器；3.穩(wěn)幅放大器A1；4.比例放大器A2和電流轉(zhuǎn)換器Q4；5.恒壓恒流源Q2、Q3。第23頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖中可以看出：經(jīng)過運算放大器的負(fù)反饋作用，最終于是有第27頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月由于，由前式得由于二極管的檢波作用于是對于運放A2第28頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月考慮運放的“虛短”效應(yīng)于是如果是變間隙式差動電容，則第29頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月代入前式得到如果是變面積式差動電容則第30頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）差動脈沖寬度調(diào)制電路電路如圖。第31頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月前面圖中：第33頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)，得從上式可看出，不論是變間隙差動傳感器還是變面積差動傳感器輸出也都是線性的。（四）運算法測量電路電路見下圖。考慮運放的“虛斷”“虛短”效應(yīng)有第34頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月由于于是對于變間隙式傳感器輸出為線性，如果是變面積式傳感器，可以交換和，于是同樣輸出與輸入成線性關(guān)系。第35頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月可以實現(xiàn)調(diào)零的運算法電路如下。設(shè)電位器左右兩邊總電阻之比為則取得第36頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響如圖，隨溫度變化電容間距3.3電容式傳感器的誤差分析第37頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月要實現(xiàn)溫度補償，只需考慮代入前式，得整理后由上式可以看出，溫度誤差與零件的幾何尺寸，結(jié)構(gòu)形式以及材料的溫度系數(shù)有關(guān)。2006.9.25JC204->第38頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電容器電場的邊緣效應(yīng)平板電容的計算公式是基于兩極板間為勻強電場。當(dāng)考慮電容邊緣電場分布不均勻時，邊緣效應(yīng)相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個附加電容，會引起傳感器的靈敏度下降和非線性增加。增大初始電容和增加等電位環(huán)可以改善邊緣效應(yīng)。第39頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、寄生與分布電容的影響電容式傳感器除有極板間電容外，極板與周圍物體也會產(chǎn)生電容，這種電容稱為寄生電容。寄生電容極不穩(wěn)定，要消除寄生電容可采用屏蔽措施，將電容器極板放置在屏蔽罩內(nèi)，屏蔽罩接地。同樣引出線也必須使用屏蔽線，同時屏蔽線也必須接地。第40頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月用于電容式傳感器輸出的屏蔽線具有分布電容，該分布電容不僅與電纜本身的特性有關(guān)，而且與電纜的放置位置以及形狀不同也有關(guān)系。解決電纜的電容影響的有效辦法是驅(qū)動電纜技術(shù)。其基本原理是使電纜屏蔽層電位跟蹤傳感器電容輸出極板的電位。下圖為一種驅(qū)動電路。第41頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月下圖為另一種驅(qū)動電路。圖中第42頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月要求于是2007.9.23JGLX303->第43頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電容式壓差變送器結(jié)構(gòu)見下兩圖。3.4電容式傳感器的應(yīng)用第44頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月分析二室結(jié)構(gòu)的壓差變送器。參見下圖第45頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月有前面圖中可知：下面分析的計算方法。有圖上知考慮有第46頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月在球面上取一寬度為，長度為的環(huán)形微元，該微元與可動極板初始位置的電容量為對上式積分得第48頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月感壓膜片在壓差作用下，膜片上的撓度在撓曲面上，取寬度為，長度的環(huán)形微元，其與動膜片的初始位置間電容為積分得第49頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月將與的表達(dá)式代入前面二極管環(huán)形檢波電路的輸出電流表達(dá)式中，得將前面與代入上式，得令第50頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月則由上式可看出，輸出電流與壓差成線性關(guān)系。二、電容式測微儀見圖，該方式測量微位移，量程可到100μm左右，分辨率可以到0.01μm。第51頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月為了減小，圓柱探頭的邊緣效應(yīng)，一般在探頭外面再加一個等電位環(huán)，參見圖。第52頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月電容測微儀整機框圖見下。第53頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電容式液位計電容式液位計原理見圖。浸入液體中的導(dǎo)線以絕緣層為介質(zhì)，與周圍的液體構(gòu)成圓柱形電容器。其容量第54頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月電容式液位計的一種測量電路如下圖。第55頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)輸入方波由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，由A點到B點流動的電荷量當(dāng)輸入方波有高電平變?yōu)榈碗娖綍r，由B點到A點流動的電荷量因此在一個充電周期內(nèi)有B點流向A點的電荷量為設(shè)方波的頻率為，則流過A、B端及電流表M支路的平均電流為第56頁，課件共57頁，創(chuàng)作于2023年2月本章重點：1.變面積、變間距、變介電常數(shù)電容傳感器