傳感器與檢測

1、3.3.1 電容式傳感器的工作原理3.3.2 電容式傳感器主要性能3.3.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.4 電容式傳感器等效電路3.3.5 電容式傳感器測量電路3.3.6 電容式傳感器的應(yīng)用3.3.7 容柵式傳感器上一頁下一頁返 回1. 工作原理及類型2. 變極距型電容傳感器3. 變面積型電容傳感器4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器上一頁返 回下一頁CSSr 0 S 極板相對覆蓋面積； 極板間距離； r相對介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)，； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 S上一頁返 回下一頁變極距變極距( (）型型: (a)、(e) 變面積型變面積型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、

2、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )型型: （i）(l) 上一頁返 回下一頁dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr非線性關(guān)系 若d/d103kv/mm)或塑料膜來改善電容器耐壓性能 差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度上一頁返 回下一頁baaabSC0aaCabbaaabC0baCaCkg0b kg減小 、加云母片、增大b、采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高靈敏度上一頁返 回下一頁 CCC0011/ 1/將上式展開成泰勒級數(shù)得 CC 02311/CC0(/) 取值不能大，否則將降低靈敏度 mmm9.001.0)51101(上一頁返 回下一頁采用差動(dòng)形式差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出

3、量 CC21024差動(dòng)式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍 如果采用容抗 作為電容式傳感器輸出量XCC1/() SCXc11 被測量與 成線性關(guān)系 無需滿足上一頁返 回下一頁1. 特 點(diǎn)2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)上一頁返 回下一頁 優(yōu)點(diǎn):1. 溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 （電容值與電極材料無關(guān)；本身發(fā)熱極小 ）2. 結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng) 3. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 4. 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)上一頁返 回下一頁1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外

4、界干擾影響 。2、寄生電容影響大 傳感器的初始電容量小，而引線電纜電容、電路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等寄生電容卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度 。上一頁返 回下一頁 (1). 減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能 (2). 消除和減小邊緣效應(yīng) (3).消除和減小寄生電容的影響，防止 和減少外界干擾 (4).盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器 上一頁返 回下一頁例 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液

5、體的r 2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：pFmmpFrrHC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872 . 146.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax2r12r2HL包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容Cp為引線電纜、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容Rg是極間等效漏電阻極板間的漏電損耗和介質(zhì)

6、損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗上一頁返 回下一頁rC0CPRgL 傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略 等效電容C=C0+Cp， 等效電阻ReRg 上一頁返 回下一頁CRgAB 電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略 ，其中C=C0+Cp，而rer 上一頁返 回下一頁reCLRCjLjCjCjeAB111ABLCCCe21由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此 此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為 2222)1 ()1/(LCkdLCCdCkgee當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳

7、感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨變化而變化。 上一頁返 回下一頁(1) 調(diào)頻電路(2) 運(yùn)算放大器電路(3) 雙T型電橋電路(4) 脈寬調(diào)制電路上一頁返 回下一頁)(212101CCCCLLCfi上一頁返 回下一頁當(dāng)被測信號為零時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，)(21010CCCLfi當(dāng)被測信號不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為 ffCCCCLfi001)(21具有較高的靈敏度，可測至0.01m級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng) 上一頁下一頁返 回：能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號 上一頁下一頁運(yùn)算放大器式電路

8、原理圖uC-ACxu0返 回由運(yùn)算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()/ ) ( SCxuuCS0 假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。 上一頁下一頁返 回上一頁下一頁U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL電源為正半周D1短路D2開路，電容C1被充電影響不予考慮，電容C2的電壓初始值為UE 返 回若二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時(shí)，電路等效成一階電路上一頁下一頁UERRRULLEiC2C2U0RRLR返 回供電電壓是幅值為UE、周期為T、占空比為50%的方波可直接得到電容C2的電

9、流iC2如下: ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112dd上一頁下一頁iURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2時(shí)，電流iC2的平均值IC2可以寫成 返 回故在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得負(fù)半周時(shí)電容C1的平均電流IC1為 ITRRRRU CCLLE1112 上一頁下一頁返 回線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，而與電容

10、無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器 。 上一頁下一頁返 回 利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化 通過低通濾波器就能得到對應(yīng)被測量變化的直流信號 上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中UA、UBA點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； T1、T2 分別為C1和C2的充電時(shí)間； U1觸發(fā)器輸出的高電位。上一頁下一頁返 回C1、C2的充電時(shí)間TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211

11、ln式中 Ur觸發(fā)器的參考電壓 設(shè)R1=R2=R，則得 UCCCCUr01212：上一頁下一頁返 回設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為1、2和S1、S2 差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型 UUE02121EUSSSSU12210差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何 差動(dòng)式電容式傳感器 并具有理論上的線性特性 上一頁下一頁返 回采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等也不需要相敏檢波與解調(diào)等對元件無線性要求對元件無線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對輸出矩形波的純度要求也不高對輸

12、出矩形波的純度要求也不高 上一頁下一頁返 回例：現(xiàn)有一電容式位移傳感器，如圖A所示。其中園柱C為內(nèi)電極，圓筒A、B為兩個(gè)外電極，D為屏蔽套筒，CBC構(gòu)成一個(gè)固定電容CF，CAC是隨活動(dòng)屏蔽套筒伸入位移量x而變的可變電容CX。采用圖B電路檢測，信號源電壓為USR。問：在要求運(yùn)放輸出電壓USC隨輸入位移x成正比時(shí)，標(biāo)出CF和CX在圖B中所連的位置，為什么？解：如圖B所示，因?yàn)殡娙菔荂X可變面積的電容傳感器。CXCF(1) 電容式差壓傳感器(2) 電容式加速度傳感器(3) 電容式振動(dòng)位移傳感器上一頁返 回下一頁P(yáng)2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1 結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms

13、)能測微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 上一頁返 回下一頁231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定極板 2殼體 3簧片 4 質(zhì)量塊 6 絕緣體 精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度 上一頁返 回下一頁a)測振幅b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物振動(dòng)電容式傳感器被測軸電容式傳感器 上一頁返 回下一頁(1) 基本類型及工作原理(2) 容柵傳感器電極的結(jié)構(gòu)形式(3) 信號處理方式(4) 容柵式傳感器應(yīng)用上一頁返 回下一頁l長容柵長容柵l圓容柵圓容柵片狀片狀柱狀柱狀上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回abnCmaxn

14、動(dòng)?xùn)懦呒壠瑪?shù) a , b柵極片長度和寬度為動(dòng)?xùn)懦吆投懦叩拈g距 為它們之間介質(zhì)的介電常數(shù) W為反射電極的極距上一頁下一頁返 回CCmaxC0W2W位移x24角度22122maxrranCr2 , r1 圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑 每條柵極片對應(yīng)的圓心角（rad）上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回1 定子2 轉(zhuǎn)子（a）直電極反射式（b）直電極透射式（c）反射式L型電極上一頁返 回下一頁上一頁下一頁返 回結(jié)構(gòu)形式簡單，使用方便，移動(dòng)過程中，導(dǎo)軌的誤差對測量精度影響較大 上一頁下一頁返 回測量調(diào)整方便、安裝誤差和運(yùn)行誤差的影響降低、制造安裝困難 上一頁下一頁返 回增大反射電極的面積，增加耦合的電容量

15、，提高傳感器的靈敏度，增強(qiáng)抗干擾能力和提高穩(wěn)定性 鑒幅式測量電路系統(tǒng)可達(dá)到0.001mm分辨力，主要在測長儀上使用， 鑒相式測量電路系統(tǒng)分辨力為0.01mm，主要在電子數(shù)字顯示卡尺等數(shù)顯量具上使用。 上一頁返 回下一頁0)()(21BmAmCUUCUU01221)(21lxUUUUUm上一頁返 回下一頁上一頁返 回下一頁ttlxllUCtUlxlCtUCtUCtUCtUlxCQmmmmmmMsin14cos2cos2)2sin()4sin(sin)4sin()2sin(00000000式中，Um發(fā)射電極激勵(lì)信號基波電壓幅值； 發(fā)射電極激勵(lì)信號基波電壓的頻率。 alxll20b14cos2tbabtbaabaUCQmMsincos2222220設(shè) 上一頁返 回下一頁tbaUCQmMsin220設(shè) sin22baacos22bab14cos2