第五章電容式傳感器第1頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原理：電容式傳感器是一種將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器件。優(yōu)點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨力高；2、它可非接觸測(cè)量；3、能在數(shù)兆赫載頻下工作，有利于動(dòng)態(tài)檢測(cè)；4、能在高頻、輻射等惡劣條件下工作。第2頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)基本工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

第3頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、變面積型電容傳感器1、工作原理面積:A=L×b極板間距:d介電常數(shù)為：εr第4頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電容的相對(duì)變化量為：

ΔC/C0=ΔL/L靈敏度：S=ΔC/ΔL=ε0εrb/d第5頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、差動(dòng)式變面積型傳感器第6頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第7頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、變極距型電容傳感器1、工作原理

電容的相對(duì)變化量為：第8頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果滿足條件Δd/d<<1時(shí)略去高次項(xiàng)ΔC/C0≈Δd/d考慮二次項(xiàng)時(shí)：第10頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靈敏度：考慮二次項(xiàng)時(shí)，其相對(duì)非線性誤差為：結(jié)論：1）變極距型電容傳感器的非線性與極距d成反比，只有在Δd／d很小時(shí)，才有近似的線性輸出，因此，這種傳感器適用于微米級(jí)的位移測(cè)量中。2）傳感器的靈敏度S與初始極距d的平方成反比，故可采用減小d。的辦法來提高靈敏度，但又影響了線性。第11頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、差動(dòng)式變極距電容傳感器電容總的相對(duì)變化量為：忽略高次項(xiàng)：

ΔC/C0≈2Δd/d相對(duì)線性誤差為：第12頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第13頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、變介質(zhì)型電容傳感器第14頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器電容量與液位高度成線性關(guān)系。電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)見表5-1第15頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)傳感器的測(cè)量電路一、交流電橋當(dāng)電橋平衡時(shí)有：當(dāng)電容傳感器阻抗Z1變化ΔZ時(shí)電橋輸出電壓為：第16頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月將電橋平衡條件帶入上式：第17頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)傳感器阻抗相對(duì)變化量β(2)橋臂比對(duì)于電容傳感器近似為實(shí)數(shù)。第18頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)橋臂系數(shù)K為一復(fù)數(shù)，可表示為：將代入A=αejθ第19頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以為參變量分別畫出橋臂系數(shù)的模、相角與a關(guān)系第20頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論：(1)當(dāng)α=1時(shí)，|K|為最大值Km又隨θ而變化當(dāng)θ=0O時(shí)，Km=0.25，輸出電壓與電源同相位；當(dāng)θ=±90O時(shí)，Km=0.5，輸出電壓與電源發(fā)生90O相移；當(dāng)θ=±180O時(shí)，Km→∞，此時(shí)甸橋發(fā)生諧振，輸出電壓趨于無限大；

(2)

當(dāng)α=1時(shí)，無論θ為何值φ始終為0，則輸出與電源同相位；當(dāng)α→∞時(shí)，φ=φm，并且φm=θ；當(dāng)θ=0時(shí)，則φ=0第21頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第22頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、變壓器式電容電橋（了解）第23頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電路輸出電壓為當(dāng)橋路輸出端開路時(shí)輸出電壓為：當(dāng)傳感器C1和C2是變極距型差動(dòng)平板電容器時(shí)，有：第24頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第25頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路

第26頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第27頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)C1≠C2時(shí)：如果第28頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：(1)差動(dòng)電容的變化使充電時(shí)間不同，從而使FF輸出端的方波寬度不同，因此A，B兩點(diǎn)間輸出直流電壓UAB也不同，且輸出特性是線性的。不論是變極距型還是變面積型差動(dòng)電容傳感器均能得到線性輸出，若是單電容傳感器就不存在線性關(guān)系；(2)由于低通濾波器的作用，對(duì)輸出波形純度要求不高，但要求有一電壓穩(wěn)定度較高的直流電源。這比其它測(cè)試電路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅交流電源易于做到;(3)這種脈沖調(diào)制電路便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差和導(dǎo)線間分布電容的影響大為減小。第29頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、運(yùn)算法測(cè)試電路

如為變極距型傳感器時(shí)將C1=ε0εrA/d代入上市，得第30頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)等效電路及分布電容的消除方法ω為激勵(lì)信號(hào)角頻率，ω=2πf一、等效電路第31頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)激勵(lì)f<f0時(shí)，等效電容增加到C，在這種情況下電容的實(shí)際變化量為：

第32頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)及等位環(huán)的應(yīng)用對(duì)于極板半徑為r的變極距型電容傳感器，考慮邊緣效應(yīng)影響時(shí)，其電容值應(yīng)按下式計(jì)算：第33頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、寄生與分布電容及其消除法電容傳感器由于受結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，其容量通常在幾PF到幾十PF范圍變化。如果激勵(lì)信號(hào)頻率較低時(shí)，電容傳感器的容抗很大，這就要求傳感器絕緣電阻很高；另外，由于傳感器本身容量很小，因而它極易受極板與周圍物體之間產(chǎn)生的寄生電容（電纜寄生電容、極板與元件乃至人體間的寄生電容）的影響，此寄生電容與傳感器并聯(lián)，其容量甚至達(dá)到傳感器電容量的幾倍到幾十倍，寄生電容的隨機(jī)性嚴(yán)重影響了傳感器的輸出特性，甚至淹沒了有用信號(hào)而不能使用。第34頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、驅(qū)動(dòng)電纜法：驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)的基本原理是使用電纜屏蔽層電位跟蹤與電纜相連接的傳感器電容極板電位，要求二電位的幅值和相位均相同，從而消除分布電容的影響。第35頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、驅(qū)動(dòng)電纜補(bǔ)償技術(shù)第36頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：

1、電容測(cè)頭具有保護(hù)環(huán)，而測(cè)量電纜為雙層屏蔽電纜，整個(gè)電路共地，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)一點(diǎn)接地，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了成本；2、在測(cè)量電路中把測(cè)量電纜的內(nèi)、外層間的電纜電容和其他雜散電容C0接在運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，從根本上消除了運(yùn)算驅(qū)動(dòng)式測(cè)量電路中輸出端通過C0到運(yùn)算放大器正輸入端的寄生正反饋；3、為了消除C0對(duì)測(cè)量電路的有害影響，在運(yùn)算放大器的正輸入端接入并聯(lián)的固定電容C2和半可變電容器或壓控變?nèi)荻O管Cp，調(diào)節(jié)Cp使C4=(C2+Cp)＝R2C0，實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)