电容式传感器课件.ppt

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1、7电容式传感器第一节工作原理与类型第二节转换电路第三节电容式传感器的误差分析第四节电容式传感器的应用第五节电容式集成传感器7电容式传感器优点：（1）      测量范围大，相对变化量可大于100%（2）      灵敏度高，相对变化量可达10-7（3）      动态响应时间短（4）      机械损失小（5）      结构简单，适应性强，可非接触测量缺点：（1）      寄生电容影响较大，可降低测量灵敏度，引起非线性输出，也可使传感器处于不稳定工作状态。（2）      具有非线性输出特性（3）      与传感器联接的线路比较复杂第一节

2、工作原理与类型一、工作原理两个金属板间的电容为二、类型（一）变极距（δ）型电容传感器（二）变面积（S）型电容传感器（三）变介电常数（ε）型电容传感器第一节工作原理与类型（一）变极距（δ）型电容传感器（一）变极距（δ）型电容传感器由上面两式知，δ0减少可使灵敏度K增大，但非线性误差也增大。因此常采用差动式结构，以提高灵敏度，减少非线性误差。第一节工作原理与类型（二）变面积（S）型电容传感器1.角位移式2.直线位移式（二）变面积（S）型电容传感器3.圆柱形第一节工作原理与类型（三）变介电常数（ε）型电容传感器1.电容液位计（三）变介电常数（ε）型电

3、容传感器2.用于测量厚度或介电常数的变介质传感器第二节转换电路一、电容式传感器等效电路C0为传感器的电容值，Rg为极板间等效漏电阻，它包括两个极板支架上的有功损耗及极间介质有功损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。L为引线电缆电感和电容式传感器本身的电感，r为传输线的有功电阻，是引线电阻、金属接线柱电阻及电容极板电阻之和。其实还应有归结于输出端的寄生电容Cp，包括引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，它与传感器电容是并联的一、电容式传感器等效电路有效电容Ce可由下式近似计算：第二节转换电路二、测量电路1.电桥电路电容电

4、桥的主要特点有：(1)高频交流正弦波供电(2)电桥输出调幅波，要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施(3)通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥(4)输出阻抗很高（一般可达几MΩ到几十MΩ），输出电压低，必须后接高输入阻抗，高放大倍数的处理电路。二、测量电路2.二极管双T形电路2.二极管双T形电路在[R+(RRL)/(R+RL)]C2<

5、部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响（2）电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定（3）输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点，且输出电压较高，因此适当选择电阻R，则输出电流可用毫安表或微安表直接测量；（4）适用于具有线性特性的单组式和差动式电容传感器（5）工作电平很高，二极管VD1和VD2都工作在特性曲线的线性区内；（6）输出信号的上升时间取决于负载电阻。对应于1KΩ的负载电阻，上升时间为20微秒左右，因此它能用来测量高速机械运动。二、测量电路3.差动脉冲调宽电路3.差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路

6、特点不需附加解调器，即能获得直流输出，输出信号为100KHZ到1MHZ的矩形波，所以直流输出只须经低通滤波器简单引出，对输出波形纯度要求不高；只需一电压稳定度较高的直流电源，要求比较低。二、测量电路4.运算放大器式电路4.运算放大器式电路第三节电容式传感器的误差分析一、温度对结构尺寸的影响电容器的电容变化如下式所示C=C0+ΔCP+ΔCT在初始温度t0时，电容传感器动片与定片的间隙为d0=L-h1-h2当温度变化Δt时，间隙为dt=L(1+aLΔt)-h1(1+ah1Δt)-h2(1+ah2Δt)设计电容器时应根据合理的初始电容值选取d0，然后

7、再根据ah1和ah2选择h1和h2以实现温度补偿。第三节电容式传感器的误差分析二、温度对介质介电常数的影响空气及云母介电常数的温度系数可认为等于零，而某些液体介如煤油、硅油、蓖麻油、甲基硅油等就必须注意由此引起的误差。温度误差一般可用后接的测量电路进行一定的补偿，但完全消除是困难的。三、电容电场的边缘效应第三节电容式传感器的误差分析四、寄生与分布电容的影响1.缩短传感器到测量电路前置级的距离2.驱动电缆法基本原理是使用电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连接的传感器电容极性电位，要求二电位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。驱动电缆法是目前解

8、决电缆电容影响问题的有效办法第三节电容式传感器的误差分析3.整体屏蔽法将整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）用一个统一屏蔽保护起来。而其关键则在于正