第5章 电容式传感器gppt课件.ppt

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1、第4章电容式传感器4.1电容式传感器的工作原理及特性4.2电容式传感器的测量电路4.3电容式传感器的特点及设计与应用中存在的问题4.4电容式传感器的应用ε——极板间介质的介电系数；ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；εr——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，εr≈1。5.1电容式传感器的工作原理及特性5.1.1基本工作原理平行极板电容器的电容量为：+-以电容器为敏感元件，将被测量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容式传感器变间隙型变面积型变介质型5.1.2电容式传感器的类型和特性1.变极距型电容传感器极板2上移：设动极板未移动时极

2、板间距为δ0初始电容量为：电容的相对变化量为：略去高次项，得：所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δδ<<δ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。非线性误差与Δδ/δ0有关。其表达式为：传感器的灵敏度为：差动式变间隙型电容传感器动极板定极板定极板C1δ1C2δ2动极板上移时：初始位置时，提高一倍减小略去高次项：电容量的相对变化为：非线性误差为：灵敏度：2.变面积型电容传感器(角位移变面积型)θ定片动片（a）角位移式线性b直线位移式aδx板状线位移变面积型线性当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S，电容量C同样随之变化。初始电容C0为：当内筒上移x

3、时，内外筒间的电容C1为：D1D0Lx与x成线性关系(a)厚度传感器δx3.变介电常数型电容传感器(a)单组式平板形厚度传感器图5－6厚度传感器的等效电路CC1C2C3设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测物的厚度和它的介电常数分别为δx和εδx电容串联，满足以下关系ε1CBld2d1ε2xCA(b)线位移传感器图5－7线位移传感器等效电路CACBC单组式平板形线位移传感器设极板宽度为b，板间无介质ε2时，传感器的电容量为：插入介质ε2后的电容量为：ε1CBld2d1ε2xCA所以线性(c)液位传感器图5－8液位传感器的等效电路C2C1C圆筒式液位传感器

4、首先2r22r1hhx与被测液位hx成线性关系。2r22r1hhx5.2电容式传感器的测量电路5.2.1电容传感器的等效电路图5－9电容传感器等效电路RPRLC5.2.2测量电路运算放大器电路图5－13运算放大器测量电路CxC0-AUiU0IiIxICx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，有：如果传感器是一只平行板电容，则：代入（5－20）式得：可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离δ成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际

5、上该测量电路仍然存在一定的非线性。3.二极管双T形电路图5－14二极管双T形电路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极短的时间充电至UE，电容C2的电压初始值为UE，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL的放电电流为i2，流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2+±UE++(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至电压UE；电源经电阻R2以i1向负载电阻RL供电，与此同时，电

6、容C1经电阻R1、负载电阻RL放电，流过RL的放电电流为i2。流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2+±UE++注意：充电电流不经过RL。电容C2的电流i2如下：在时,电流i2的平均值I2可写成电容C1上的平均电流为:故在负载RL上产生的电压为：当RL已知时，为常数，设为K，则输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压只是电容C1和C2的函数。利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。C1

7、、C2为差动式传感器的两个电容；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。图5－16差动脉冲调宽电路R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+--+QQSR双稳态触发器A2A14、差动脉宽调制电路tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差动脉冲调宽电路各点电压波形图根据电路知识可知：UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2—分别为C1和C2的充电时间；U1—触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间T1、