[工学]电容式传感器 (2)

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1、回顾应变片的检测电路直流电桥电桥平衡条件电桥的不平衡电压电桥灵敏度电桥的非线性调平衡电路回顾电容传感器的优缺点电容传感器的结构特点变d型电容传感器的输出特性§4.6平板差动型电容初始时，动极板居中d1=d2=d0若由于被测量的作用使动极板移动了±Δd，则：在Δd

2、距为d1,动极板上移Δd1后两式相比得其中一般Δd1很小时，能满足展开得忽略高次项相对灵敏度非线性误差灵敏度提高了非线性关系变差了§4.8变S型电容传感器的输出特性直线型转角型圆桶型变S型电容传感器输出特性是线性，适合测量较大位移。灵敏度是常数。灵敏度§4.9变介质型电容传感器根据原理知C=f(εr)呈线性关系，因此可适用于介质检测，如检测介质几何尺寸(厚度)，内在质量(有无缺陷)，以及间接影响εr的其他因素(温度，湿度)。电容式液位计两个同心圆筒作为极板，插入被测液位的非导电介质中，能通过电容

3、的变化而算出液位的高度。这里它表示介质ε1未浸入液位计时，液位计初始的固定电容值。§4.10电容传感器的等效电路Rs－电容极板，引线电阻总和。L－引线电感及电容器本身电感。Rp－极板间泄漏电阻，介质损耗电阻。CD－附加电容，边缘电场，分布电容，寄生电容，杂散电容。C－电容器主电容§4.11测量电路交流电桥在一个桥臂接入单个电容是传感元件C1,其对应臂应匹配一个固定电容C2，且使初始时电桥平衡。当C1有变化ΔC时，电桥有不平衡电压输出，其大小正比于ΔC。§4.11.1交流电桥输出特性桥平衡条件单臂

4、电桥不平衡电压输出影响输出电压UL的因素ΔZ1的组成的大小和相角参数比M的相角θ－相邻桥臂阻抗角之差θ2－θ1。参数比M的模m大小－两桥臂阻抗幅度之比z2/z1。ΔZ1的组成对输出UL的影响当ΔZ1中只有电阻变化这时当,为最大，工作臂为纯电阻对输出有利。当ΔZ1中只有电抗变化这时当时为最大值。工作臂为纯电抗时也能达到最大输出。两桥臂相差对UL大小的影响当θ2－θ1=0时，当θ2－θ1=π/2时，当θ2－θ1=π时，当θ2－θ1=π时,模值k最大，当θ2－θ1=0时，模值k最小。相邻臂桥臂具有相同

5、的阻抗角时，对不平衡电桥输出最不利。具有相反的阻抗角时，在理论上对输出最有利。但实际具有相反的阻抗角的两臂构成了串联谐振，会使电桥工作不稳定。实际常用θ2－θ1=π/2的电路。§4.11.2变压器式交流电桥这种电桥的两个臂是带中心抽头变压器T的两个副线圈。Z1、Z2常是差动传感器转换得到的参数。（如C或R、L）桥的开路输出电压为把带入上式得：设电容传感器初始值为C0，受被测量作用变化ΔC，则因此不平衡电压输出为优点：输出阻抗低，有利于带负载。输入阻抗高，有利于减小电源负担。§4.11.3紧耦合

6、电容电感桥优点做平衡桥工作时，可以得到稳定的灵敏度＝2。做不平衡桥工作时，有较高的零点稳定性。桥电压输出一般公式Z12—耦合臂电抗K—耦合臂两线圈间的耦合系数K=M/LZD—桥输出对角所接负载阻抗Ei—桥所加交流电压在负载K=－1，（紧耦合）时桥的相对灵敏度为当K=0（不耦合情况）此时桥的相对灵敏度为桥不平衡工作时：当ω一定时，不平衡输出UD和(ΔC/C0)呈线性相对灵敏度和ωLC0的关系如图所示有分段点当ωLC0>>1时，相对灵敏度稳定为2桥平衡工作时：桥一旦达到平衡，桥的输出端就相当于短路。

7、因此零点将相当稳定，这时接在桥输出端的引线电缆分布电容等亦将不起作用。§4.11.4二极管双T桥C1,C2为传感器两差动电容，也可其中一个是固定电容，另一个是传感器电容。RL是毫安计或微安计内阻。D1,D2是两个特性完全一样的二极管。R1,R2是固定电阻。E是高频对称方波电源MHz（1）双T电桥电路分析电源正半周RL上流过的电流是：等效电源电压：等效内阻C2的放电电流U0对C2的充电电流：回路总电流:通过RL的iC2’仅为iC2的一部分对负半周可以和上述完全相同的分析，得出在电源E变化一个周

8、期T内，电流平均值为：当元件参数R、RL、C1、C2以及电源E的频率f的选择使时常数满足下式：（*）可将（*）式中最后两项忽略，误差不会超过1％，故有（2）双T电桥电路特点负载输出和（C1-C2）成正比。线路简单，线路结构有利于对干扰的抑制。D1、D2处于高电平工作，有利于克服二极管的非线性。线路输出阻抗和C1、C2无关，适当选取R1、R2可直接驱动mA表。线路输出较高，利于直接测量。输出信号的上升时间和负载电阻有关，适当选择负载电阻，可以用于测量高速机械运动测量。电路的灵敏度和电源频率有关，要