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1、模块三 传感器原理及检测实训,变面积式差动电容传感器 浙江经济职业技术学院 徐文,3.2 电容式传感器,电感式传感器是以电容器作为传感元件，将被测量的变化转换为电容量的变化的一种传感器。,返回首页,分类:,3.2 电容式传感器,返回首页,3.2.1 基本原理与结构类型 3.2.2 输入-输出特性 3.2.3 等效电路分析 3.2.4 接口电路 3.2.5 变面积式差动圆柱型电容传感器实训,3.2 电容式传感器,返回首页,3.2.1 基本原理与结构类型,典型的电容式传感器中的电容通常做成平行平面形或平行曲面形。以平板电容器为例（原理图如下），若忽略其边缘效应，其电容量C为：,平板电容器原理,d、
2、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,返回首页,3.2.1 基本原理与结构类型, 多层介质,A 极板覆盖面积, 单层介质,平行平面电容,返回首页,改变极板面积的变面积式； 改变极板距离的变间隙式； 改变介电常数的变介电常数式。,3.2.1 基本原理与结构类型,当 时，,L 覆盖长度,平行曲面形（同轴圆筒形）电容,返回首页,3.2.2 输入-输出特性,1、变极距型,图3-2-1 变极距型电容传感器,返回首页,3.2.2 输入-输出特性,(1) 单一式图3-2-1(a) 初始时,动极板上移,(2) 差动式图3-2-1(b),返回首页,3.2.2 输入-输出特性,图3-2-2 线位移式变面积型结构,
3、2、变面积型,(1) 线位移式,初始时,移动 l 后,返回首页,3.2.2 输入-输出特性,筒状线位移变面积型,返回首页,3.2.2 输入-输出特性,图3-2-3 变面积型差动式结构,(2) 角位移式（差动结构）,返回首页,3.2.2 输入-输出特性, 扇形结构 初始时,转动 后,所以, 柱面形结构 图3-2-3(b) 公式同上,返回首页,3.2.2 输入-输出特性,图3-2-4 线位移式变介质型差动结构,3、变介质型（差动式）,返回首页,3.2.2 输入-输出特性,初始时,介质( )块右移 时，,所以,同理,故,返回首页,3.2.3 等效电路分析,1、等效电路 RP 并联损耗电阻 Rs 串联
4、电阻 L 引线电感 RP 代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗； Rs 代表引线电阻 L 是电容器本身的电感和外部引线电感,图 3-2-5 电容传感器的等效电路,返回首页,3.2.3 等效电路分析,2、引线电感的影响 等效电容,两边同乘 所以,实际相对变量为,返回首页,3.2.4 接口电路,1、比例运算电路,图 4-2-6 比例运算法测量电路 （a）恒电流激励电路（b）恒电压激励电路（c）恒电压激励差动电路,1,返回首页,3.2.4 接口电路,(1) 恒电流激励电路3-2-6 (a),应用于单一变极距式电容传感器,(2) 恒电压激励电路3-2-6 (b),应用于变面积式和变介质式电容传感器,
5、(3) 恒电压激励差动电路3-2-6 (c),应用于变面积差动式电容传感器,返回首页,3.2.4 接口电路,2、交流电桥 (1) 电阻平衡臂电桥 图3-2-7 (a) (2) 变压器电桥 图3-2-7 (b) 开路（ZL时）输出电压都为,Z1 和 Z2 若为两个电容传感器，则,应用于变极距差动式电容传感器,返回首页,3.2.4 接口电路,图 3-2-7 两种交流电桥 （a）电阻平衡臂交流电桥 （b）变压器电桥,返回首页,3.2.4 接口电路,图3-2-8 二极管环形电桥,3、二极管环形电桥 流经电流表 M 的瞬时电流的平均值为,返回首页,3.2.4 接口电路,4、差动脉冲调宽电路 (1) RC
6、 电路的微分方程,返回首页,3.2.4 接口电路,(2) 差动电容脉冲调宽电路的工作过程 图 3-2-9 中，C1 和 C2 为差动电容传感器的两个电容。双稳态触发器两端分别输出高电平 UOH 和低电平 0 。当 Q 端从 0 跳变到 UOH 端， 从 UOH 跳变到 0 时，C2 通过 D2 迅速放电到0 ，UOH 通过 R1 对 C1 充电。在 C1 充电达到 UR 时，比较器发生跳变，使触发器翻转。于是 C2 开始通过 R2 充电，而 C1 则通过 D1 放电，重复上面的同一过程。这样 Q 端和 端就形成了宽度分别为 T1 和 T2 的方波：,返回首页,3.2.4 接口电路,图 3-2-
7、9 差动脉冲调宽电路,图3-2-10 脉冲宽度波形,返回首页,3.2.4 接口电路,图 3-2-10 为几个主要点的波形图。由图可见在 Q 端和 端的输出，是幅值为 UOH 而宽度分别为 T1 和 T2 的方波，方波基波频率 f0 为,Q端与 端间的差模电压经低通滤波后，输出电压为,取 R1 = R2 ，将 T1、T2式代入上式得,将 式代入上式得,返回首页,3.2.4 接口电路,为了使输出电压 Uo 为方波电压 UAB 的平均值，必须滤去方波基波及其谐波只保留其直流分量，为此，要求 fh fx 。为同时满足这两方面的要求，一般选取 。,(3) 低通滤波器截止频率 fh 的选择,返回首页,返回首页,电容式传感器的位移特性,要求： 传感器的特性曲线，系统灵敏度，非线性误差 最小二乘法做出拟合直线 传感器的边缘效应,3.3.5 变面积式差动电容传感器实训,
