傳感器原理與電路設(shè)計(jì)第11講電容

1、第5章 電容式傳感器 11.19.20151第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用前言電容式傳感器利用了將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。廣泛用于位移、振動(dòng)、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測(cè)量。特點(diǎn)：n結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高；n可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量；n動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；n能在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作；n電容量小，功率小，輸出阻抗高，負(fù)載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。前沿變面積型工作原理變介質(zhì)型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20152第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用1. 工作原理工作原理

2、0rAACdd ：極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；0 ：真空介電常數(shù)；r：極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；A：兩平行板所覆蓋的面積；d：兩平行板間的距離。變介質(zhì)型變極距型變面積型前沿變面積型工作原理變介質(zhì)型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20153第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用2. 變面積型電容式傳感器工作原理電容改變量與水平位移成線性關(guān)系dbxaCCCr/)(0002()2(1)1lnlnlxlx lCCx lRRrr 0CxCl線位移變面積型0rAACdd axCC0前沿變面積型工作原理變介質(zhì)型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20154第11講GMES 2008目

3、錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用2. 變面積型電容式傳感器工作原理電容改變量與角位移成線性關(guān)系角位移變面積型0rAACdd 0(1)AA0000001(1)rCACCCd 00CCCC前沿變面積型工作原理變介質(zhì)型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20155第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用3. 變介質(zhì)型電容式傳感器工作原理002lnHCDd00 100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnHhhHhhCCCCDDDDDddddd 102(1)lnhCCCDd電容增量與被測(cè)液位的高度成線性關(guān)系相當(dāng)于C1和C2并聯(lián)前沿變面積型工作原理變介質(zhì)型變極距型第5章

4、電容式傳感器 11.19.20156第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用4. 變極距型電容式傳感器工作原理電容增量與極板間距離的變化成近似直線關(guān)系000rACd 000002000111rdCdACCCCdddddd 200000011ddddCddCCCC00000(1)CddCCCdd00ddCC或泰勒展開(kāi)前沿變面積型工作原理變介質(zhì)型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20157第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用4. 變極距型電容式傳感器工作原理?yè)舸┗蚨搪穯?wèn)題一般極板間距在25200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器

5、主要用于微位移測(cè)量。00ddCCd0越小傳感器靈敏度越高，過(guò)小容易擊穿或短路。可在極板件加入高介電常數(shù)的云母材料。相當(dāng)于電容串聯(lián)。00000ggggC CACddCC 前沿變面積型工作原理變介質(zhì)型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20158第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用4. 變極距型電容式傳感器工作原理非線性問(wèn)題200000011ddddCddCCCC分析同變磁阻式電感式傳感器為了提高靈敏度減小非線性誤差，通常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)10011CCdd20011CCdd30200011ddddddCC30200021ddddddCC 50300021222ddddddCCC

6、C2460000021CddddCdddd前沿變面積型工作原理變介質(zhì)型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20159第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用1. 調(diào)頻電路測(cè)量電路電容式傳感器的電容值及電容變化值都十分微小，必須借助信號(hào)調(diào)節(jié)電路才能將其轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率，從而實(shí)現(xiàn)顯示、記錄和傳輸。相應(yīng)的測(cè)量電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。調(diào)頻測(cè)量電路原理是將電容作為振蕩器諧振回路的一部分012012()fL CCC0012012()fffL CCCC調(diào)頻電路二極管雙T型交流電橋運(yùn)算放大器脈沖寬度調(diào)制電路第5章 電容式傳感器

7、 11.19.201510第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用2. 運(yùn)算放大器測(cè)量電路虛地：U+=U-=0高阻抗：Ii=000000011iCUZIIjIjwCwC 011xCxxxxxUZIIjIjwCwC 00 xII00ixCUUC 對(duì)平板電容器00id CUUA 輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)系能克服變極距型電容傳感器的非線性dACx調(diào)頻電路二極管雙T型交流電橋運(yùn)算放大器脈沖寬度調(diào)制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201511第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用3. 二極管雙T型交流電橋測(cè)量電路過(guò)負(fù)載的平均電流不為0，RL上必有信號(hào)輸出，其輸出

8、在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為：當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)， C1C2， I1I2，一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)負(fù)載的平均電流為0；當(dāng)傳感器有輸入時(shí)，C1C2，I1 I2，一個(gè)周期內(nèi)流 2102102d1CCEfRRRRRRtRtItITRIULLLLTLL 特點(diǎn)：輸出信號(hào)的上升時(shí)間取決于負(fù)載電阻RL，非?？?，可用于測(cè)量高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)。調(diào)頻電路二極管雙T型交流電橋運(yùn)算放大器脈沖寬度調(diào)制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201512第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用4. 脈沖寬度調(diào)制電路測(cè)量電路111A1M1AM11CRUtUteUUt雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電阻可忽略；二極管反向電阻無(wú)窮大；（近似線性）調(diào)頻電

9、路二極管雙T型交流電橋運(yùn)算放大器脈沖寬度調(diào)制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201513第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用4. 脈沖寬度調(diào)制電路測(cè)量電路MAA1AMln11UUUteUUtrBB222rAA111lnlnUUUCRTUUUCRT調(diào)頻電路二極管雙T型交流電橋運(yùn)算放大器脈沖寬度調(diào)制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201514第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用4. 脈沖寬度調(diào)制電路測(cè)量電路2211Bm22Am11Bm212Am211BAAB0CRCRuCRuCRuTTTuTTTuuuu直流分量muCCCCu21210mBmAm21u

10、uuRR，設(shè)調(diào)頻電路二極管雙T型交流電橋運(yùn)算放大器脈沖寬度調(diào)制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201515第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用4. 脈沖寬度調(diào)制電路測(cè)量電路mmmmmudduddddddCCudduddddddCCuddddudAdAdAdAuCCCCu00020121000201212112212121210有：，：當(dāng)有：，：當(dāng)如果采用差動(dòng)電容：1.對(duì)于變極距型dAC可見(jiàn)，uo與d為線性關(guān)系調(diào)頻電路二極管雙T型交流電橋運(yùn)算放大器脈沖寬度調(diào)制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201516第11講GMES 2008目錄工作原理測(cè)量電路典型應(yīng)用4. 脈沖寬度調(diào)制電路測(cè)量電路mmmmmuAAuAAAAAACCuAAuAAAA