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1、电容式传感器 3 2电容式传感器 电容式传感器是将被测物理量转换为电容变化的一种转换装置 实际上就是一个具有可变参数的电容器 3 2电容式传感器 电容式传感器广泛用于位移 角度 振动 速度 物位 压力 成份分析 介质特性等方面的测量 被测量 C U I 3 2电容式传感器 优点 受本身发热影响小静态引力小动态响应好结构简单可以进行非接触式测量 一 电容式传感器的特点 缺点 输出阻抗高 带负载能力差寄生电容影响大 输出特性非线性 3 2电容式传感器 优点 受本身发热影响小传感器的电容值一般与电极材料无关 仅取决于电极的几何尺寸 且空气等介质损耗很小 只要从强度 温度系数等机械特性考虑 合理选择材
2、料和几何尺寸其他因素 因本身发热极小 影响甚微 一 电容式传感器的特点 因带电极板间的静电引力极小 因此所需输入能量极小 所以特别适宜低能量输入的测量 例如测量极低的压力 力和很小的加速度 位移等 可以做得很灵敏 分辨力非常高 静态引力小 电容式传感器由于极板间的静电引力很小 约10 5N 需要的作用能量极小 又由于它的可动部分可以做得很小很薄 即质量很轻 因此其固有频率很高 动态响应时间短 能在几MHz的频率下工作 特别适合动态测量 又由于其介质损耗小可以用较高频率供电 因此系统工作频率高 它可用于测量高速变化的参数 如测量振动 瞬时压力等 动态响应好 结构简单 适应性强电容式传感器结构简单
3、 易于制造 能在高低温 强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作 适应能力强 尤其可以承受很大的温度变化 在高压力 高冲击 过载等情况下都能正常工作 能测超高压和低压差 也能对带磁工件进行测量 此外传感器可以做得体积很小 以便实现某些特殊要求的测量 可以实现非接触测量 具有平均效应当被测件不能允许采用接触测量的情况下 电容传感器可以完成测量任务 当采用非接触测量时 电容式传感器具有平均效应 可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响 2 电容式传感器的缺点 1 输出阻抗高 负载能力差电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制 一般为几十到几百pF 使传感器的输出阻抗很高 尤其当采用音频范围内的交流电源
4、时 输出阻抗高达106 108 因此传感器负载能力差 易受外界干扰影响而产生不稳定现象 严重时甚至无法工作 必须采取屏蔽措施 从而给设计和使用带来不便 容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高 几十M 以上 否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能 如灵敏度降低 为此还要特别注意周围环境如温湿度 清洁度等对绝缘性能的影响 高频供电虽然可降低传感器输出阻抗 但放大 传输远比低频时复杂 且寄生电容影响加大 难以保证工作稳定 2 寄生电容影响大传感器的初始电容量很小 而其引线电缆电容 l 2m导线可达800pF 测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等 寄生电容 却较大 3 输出特
5、性非线性变极距型电容传感器的输出特性是非线性的 虽可采用差动结构来改善 但不可能完全消除 其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时 输出特性才呈线性 否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加 使输出特性非线性 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 电容器 平板电容器 柱形电容器 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类以平行板电容为例 如果不考虑其边缘效应 其电容量为 3 9 式中 介质的介电常数 极板间介质的相对介电常数 空气介质 真空介电常数 二平行极板覆盖面积 极板间距离 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类显然 电容
6、量是 的函数 如果保持其中两个参数不变 只改变其中一个参数 就可把该参数的变化转换为电容量的变化 因此 电容式传感器分为极距变化型 面积变化型 介质变化型三类 电容式传感器 变极距 d 型 变面积 S 型 变介电常数 型 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类 变极距式 变极距式 变面积式 变面积式 变面积式 变面积式 变介电常数式 变介电常数式 1 变极距型电容式传感器 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类1 变极距型电容式传感器 C0 C1 C0 C C与d不是呈线性关系 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类1 变
7、极距型电容式传感器 当时 则 C1与 d近似呈线性关系变极距型电容式传感器设计成 d在极小范围内变化 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类1 变极距型电容式传感器电容式传感器的灵敏度 电容变化与所引起的可动部件的机械位移变化之比 可见 灵敏度与极距成反比 极距越小 灵敏度越高 为减小非线性误差 该类传感器通常用于测量微小位移 在实际应用中 为提高灵敏度 减小非线性 克服压力 环境温度 电源电压等外界因素对测量精度的影响 通常情况下把电容器接成差动形式 差动式变间隙型电容传感器 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类2 变极距差动型电容式传感器
8、图 3 6 差动式电容传感器结构原理图 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类2 变极距差动型电容式传感器差动式电容传感器一般采用三块极板 其中中间一块极板为动极板 两边为定极板 当动极板移动距离 对应的电容量 的变化通过差动电桥叠加使输出和灵敏度均提高一倍 非线性得到改善 且工作稳定性好 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类2 变极距差动型电容式传感器 图 3 7 差动式电容传感器输出特性曲线 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类2 变极距差动型电容式传感器 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及
9、分类1 变极距差动型电容式传感器 若位移 很小d时 可按级数展开 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类2 变极距差动型电容式传感器 电容总的变化为 略去高次项 则 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类2 变极距差动型电容式传感器 图 3 7 差动式电容传感器输出特性曲线 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类2 变极距差动型电容式传感器绝对非线性误差 实际的非线性特性曲线与理想的线性曲线的偏差 非差动式电容传感器非线性误差 单一电容传感器非线性误差为 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类2 变
10、极距差动型电容式传感器 灵敏度为 相对非线性误差为 灵敏度提高了一倍 非线性误差降低了 差动式电容传感器比非差动电容传感器灵敏度提高了1倍 线性误差也有所减少 3 2电容式传感器 二 工作原理和结构 1 基本工作原理及分类3 变极板面积型电容式传感器 角位移式电容传感器 当动片角位移 时 覆盖面积A就改变 当 0时 当 0时 灵敏度 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 电容式传感器由于电容值非常小 需要用测量电路把电容量的变化转换成与其成正比的电压 电流或频率 等电信号 以便显示 记录和传输 常用的测量电路有 桥式电路调频震荡电路运算放大器式电路脉冲调宽电路 3 2电容式传感器 三
11、电容式传感器测量电路 1 调频电路转换信号 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分 当输入量导致电容量发生变化时 振荡器的振荡频率就发生变化 调频式测量电路原理框图 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 1 调频电路转换信号 限幅器 振荡器输出有两个变化量频率 f和幅值 u 为了限制幅值的变化 常在后面加入限幅放大器 使输出量变化只有 f 鉴频器 系统是非线性的 不易校正 因此加入鉴频器 将频率的变化转换为振幅的变化 放大器 经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来 调频式测量电路原理框图 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 1 调频电路转换信号 图中当被测量为
12、0 C 0 调频振荡器的频率f0为 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 1 调频电路转换信号 C 0 振荡器频率f随 C而改变 其值为 式中 L 振荡回路的电感 C 振荡回路的总电容 C C1 C2 C0 C 其中 C1为振荡回路固有电容 C2为传感器引线分布电容 C0 C为传感器的电容Cx 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 1 调频电路转换信号 调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度 可以测至0 01 m级位移变化量 频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯 抗干扰能力强 可以发送 接收以实现遥测遥控 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 2 运算放大器式电路 运
13、算放大器的放大倍数K非常大 而且输入阻抗Zi很高 运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 2 运算放大器式电路 图3 16是运算放大器式电路原理图 Cx为电容式传感器 是交流电源电压 是输出信号电压 a是虚地点 由于阻抗Zi很高 所以由运算放大器工作原理可得 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 2 运算放大器式电路 如果传感器为平板电容器 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 2 运算放大器式电路式中 号表示输出电压 的相位与电源电压反相 说明运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系 运算放大器电路解
14、决了单个变极板间距离式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 实际上该测量电路仍然存在一定的非线性 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 3 脉冲型调宽电路 低通滤波器 E 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 C2为差动式传感器的两个电容 A1 A2是两个比较器 E为其参考电压 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 3 脉冲型调宽电路 利用电容器的充放电时间调制方波脉冲宽度 原理图 低通滤波器 E RC电路的时间常数 RC 当 脉冲宽度T f1 f1
15、f2 C f1 f2 f3 x 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 3 脉冲型调宽电路图中C1 C2为差动式电容传感器的两个变极距d的电容传感器 电阻R1 R2 A1 A2为比较器 1 比较器A1 A2 U U 输出高电平 U U 输出低电平 2 RS触发器 S R 0 保持原态 S 0 R 1 Q 0 1 S 1 R 0 Q 1 0 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 3 脉冲型调宽电路3 R1D1C1与R2D2C2分别构成两个充电回路 Q 1 0 C1充电回路 C2放电回路 Q 0 1 C1放电回路 C2放电回路 4 低通滤波器 电压经低通滤波器后 获得输出电压平均值
16、3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 3 脉冲型调宽电路 C1 C2 C1 C2且C1 C2 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 2 脉冲型调宽电路电路各点波形如图所示 当差动电容器的C1 C2时 其平均电压值为零 当差动电容C1 C2 且C1 C2时 则 1 R1C1 2 R2C2 由于充放电时间常数变化 使电路中各点电压波形产生相应改变 如图所示 此时uA uB脉冲宽度不再相等 一个周期 T1 T2 时间内其平均电压值不为零 此uAB电压经低通滤波器滤波后 可获得输出 3 67 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 2 脉冲型调宽电路式中 UH 触发器输出高电平 T1 T2 C1 C2充放电至E所需时间 由电路知识可知 将T1 T2代入式 3 67 得 3 2电容式传感器 三 电容式传感器测量电路 2 脉冲型调宽电路 把平行板电容的公式代入上式 在变极板距离的情况下可得 式 3 38 中d1 d2分别为C1 C2极板间距离 当差动电容C1 C2 C0 即d1 d2 d0时 uAB 0 若C1 C2 设C1 C2 即d1 d0 d d2 d0 d 则 同样
