傳感器技術(shù)-第3章變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用課件

第3章變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用3.1自感式傳感器3.4電容傳感器2/6/202313.1自感式傳感器3.1.1工作原理3.1.2變氣隙式自感傳感器3.1.3變面積式自感傳感器3.1.4螺線管式自感傳感器3.1.5自感式傳感器測(cè)量電路3.1.6自感式傳感器應(yīng)用舉例2/6/20232電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)原理即利用線圈電感或互感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量2/6/20233線圈自感：Ψ——線圈總磁鏈,單位：韋伯；Φ——通過(guò)每匝線圈的磁通量；I——通過(guò)線圈的電流，單位：安培；W——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路總磁阻，單位：1/亨。3.1.1工作原理2/6/20235當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成，鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。2/6/20236變氣隙型傳感器變截面型傳感器氣隙厚度較小，可以認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，忽略磁路鐵損，則總磁阻為：線圈自感:2/6/20237分析：當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，則，代入式（3.1.6）式并整理得2/6/20239同理，向下移動(dòng)時(shí)，有:向上移動(dòng)時(shí)：2/6/202310線性處理，得：變間隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。為了減小非線形誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。靈敏度k0為：2/6/202311為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。差動(dòng)傳感器電感的總變化量：2/6/202313線性處理，得：

靈敏度k0為：（1）差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的2倍。（2）單線圈是忽略以上高次項(xiàng)，差動(dòng)式是忽略以上高次項(xiàng)，因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善。2/6/202314變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸入與輸出呈線性關(guān)系；因此可望得到較大的線性范圍。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。3.1.3變面積式自感傳感器設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此變面積自感傳感器自感L為：靈敏度：2/6/202315當(dāng)鐵芯移動(dòng)（如右移）后：根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為：（3.1.24）上式表明兩只線圈的靈敏度大小相等，符號(hào)相反，具有差動(dòng)特征。

2/6/202317考慮到，而lc與l，rc為同數(shù)量級(jí)的量，則式(3.1.21)和式(3.1.24)可簡(jiǎn)化為

2/6/2023183.1.5自感式傳感器測(cè)量電路1、自感式傳感器等效電路2、交流電橋3、調(diào)幅電路4、調(diào)頻電路5、調(diào)相電路6、自感傳感器的靈敏度2/6/202319等效線圈阻抗為：將上式有理化并應(yīng)用品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/R，可得當(dāng)Q>>ω2LC且ω2LC<<1時(shí)，上式可近似為2/6/202321交流電橋測(cè)量電路電橋平衡的條件：2.交流電橋式測(cè)量電路2/6/202322把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻R代替。設(shè)Z1=Z+ΔZ1,Z2=Z－ΔZ2，Z是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗，ΔZ1,ΔZ2分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。2/6/2023233.調(diào)幅電路

(1)變壓器電路輸出空載電壓初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z,u0=0銜鐵偏離中間零點(diǎn)時(shí)在Q=ωL/R很高的時(shí)候，可以忽略線圈內(nèi)阻：u0z2z1u/2u/22/6/202325傳感器銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí)空載輸出電壓兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差1800為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號(hào)的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來(lái)解決。2/6/202326(2)相敏檢波電路當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使Z1=Z+ΔZ增加，則Z2=Z-ΔZ減少。這時(shí)當(dāng)電源u上端為正，下端為負(fù)時(shí)，電阻R1上的壓降大于R2上的壓降；當(dāng)u上端為負(fù)，下端為正時(shí)，R2上壓降則大于R1上的壓降，電壓表V輸出上端為正，下端為負(fù)。2/6/202327(3)諧振式調(diào)幅電路輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L而變化，圖為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線，其中L0為諧振點(diǎn)的電感值。特點(diǎn)：此電路靈敏度很高，但線性差，適用于線性度要求不高的場(chǎng)合。2/6/2023294.調(diào)頻電路GCLf靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合Lf02/6/2023305.調(diào)相電路

傳感電感變化將引起輸出電壓相位變化2/6/2023316.自感傳感器的靈敏度

傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度轉(zhuǎn)換電路靈敏度

總靈敏度

自感傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)（測(cè)頭）和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。以調(diào)幅電路為例：2/6/202332假定用氣隙型傳感器，并采用變壓器電橋作為測(cè)量電路則：2/6/202333第一項(xiàng)決定于傳感器的類型第二項(xiàng)決定于轉(zhuǎn)換電路的形式第三項(xiàng)決定于供電電壓的大小氣隙型、變壓器電橋傳感器傳感器靈敏度的單位為(mV/μm)/V電源電壓為1V，銜鐵偏移1μm時(shí)，輸出電壓為若干毫伏

2/6/2023343.1.6自感式傳感器應(yīng)用舉例1.自感式位移傳感器2.自感式壓力傳感器2/6/2023351.自感式位移傳感器1傳感器引線2鐵心套筒3磁芯4電感線圈5彈簧6防轉(zhuǎn)件7滾珠導(dǎo)軌8測(cè)桿9密封件10瑪瑙測(cè)端2/6/2023362.自感式壓力傳感器變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過(guò)線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。2/6/202337變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。

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板的厚度測(cè)量~

張力測(cè)量2/6/202339旁向式差動(dòng)電感式傳感器總行程：1.5mm測(cè)量力：0.4～0.7N示值變動(dòng)性：0.2μm軸向式差動(dòng)電感式傳感器總行程：3mm測(cè)量力：0.45～0.65N示值變動(dòng)性：0.03μm總行程：1.5mm測(cè)量力：0.12～0.18N示值變動(dòng)性：0.05μm2/6/202340軸向式差動(dòng)變壓器式傳感器總行程：100mm線性度：0.15%

總行程：2～7mm測(cè)量力：0.9～1.2N示值變動(dòng)性：0.5μm2/6/202341IW10/101系列；微型電感式位移，測(cè)量范圍4,5,8,10,15mm線性精度：0.5%或0.25%,外殼圓形?10mm或方形25mm,外接勵(lì)磁模塊驅(qū)動(dòng)

2/6/202342IW120系列:電感式位移傳感器，測(cè)量行程12，24，60，100，150，200mm。無(wú)限分辨率，無(wú)磁滯。線性精度：0.5%或0.25%。外部激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電路2/6/202343電感式傳感器(活塞)

2/6/2023443.4電容傳感器電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量變化的測(cè)量裝置。工作原理： 將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器。應(yīng)用范圍: 位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量。2/6/2023453.4電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理3.4.2電容式傳感器主要性能3.4.3電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4電容式傳感器等效電路3.4.5電容式傳感器測(cè)量電路3.4.6電容式傳感器的應(yīng)用2/6/2023463.4.1電容式傳感器的工作原理1.工作原理及類型2.變極距型電容傳感器3.變面積型電容傳感器4.變介電常數(shù)型電容式傳感器2/6/2023471.工作原理及類型S——極板相對(duì)覆蓋面積；

d

——極板間距離；

εr——相對(duì)介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)；

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。dSε2/6/202348

當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。2/6/202349分類示意圖

c)變介電常數(shù)型b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++a)極距變化型;+++2/6/202350變極距(d）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)2/6/2023512.變極距型電容傳感器若△d/d<<1時(shí)，則式（3.4.3）可簡(jiǎn)化為若極距縮小△d最大位移應(yīng)小于間距的1/10，差動(dòng)式改善其非線性。初始電容:2/6/2023523.變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿著長(zhǎng)度方向平移時(shí)，其電容變化量化為：△C與△x間呈線性關(guān)系2/6/202353電容式角位移傳感器當(dāng)θ=0時(shí)當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關(guān)系2/6/2023544.變介電常數(shù)型電容式傳感器初始電容電容式液位傳感器傳感器的電容量正比于被測(cè)液位的高度h電容與液位的關(guān)系為：2/6/202355當(dāng)L=0時(shí)，初始電容當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)變化量為電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L呈線性關(guān)系2/6/2023563.4.2電容式傳感器主要性能

1.靜態(tài)靈敏度被測(cè)量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測(cè)量變化之比2.非線性2/6/202357變極距型，其靜態(tài)靈敏度為將上式展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)得但d過(guò)小易導(dǎo)致電容器擊穿(空氣的擊穿電壓為3kv/mm)在極間加一層云母片(擊穿電壓>103kv/mm)或塑料膜來(lái)改善電容器耐壓性能差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度擊穿電壓:使電介質(zhì)擊穿的電壓。電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體,稱為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。2/6/202358表1電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)2/6/202359平板式變面積型b△aab

dkg減小d

、加云母片、增大b、采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高靈敏度2/6/2023602.非線性變極距型

將上式展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)得

可見(jiàn)，輸出電容ΔC/C0與輸入Δd之間成非線性關(guān)系2/6/202361動(dòng)極板定極板定極板C1

d1C2

d2差動(dòng)式變間隙型電容傳感器2/6/202362動(dòng)極板上移時(shí)：初始位置時(shí)，2/6/202363采用差動(dòng)形式，電容總變化量：差動(dòng)式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍如果采用容抗作為電容式傳感器輸出量被測(cè)量d與XC

成線性關(guān)系

無(wú)需滿足2/6/2023643.4.3電容傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.特點(diǎn)2.設(shè)計(jì)要點(diǎn)2/6/2023651、電容傳感器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):(1).溫度穩(wěn)定性好

（電容值與電極材料無(wú)關(guān)，本身發(fā)熱極?。?2).結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠承受高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況。(3).動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小

可測(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度。可以做得很靈敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕

其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電,系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。2/6/202366(4).可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。2/6/202367

缺點(diǎn)：(1)、輸出阻抗高、負(fù)載能力差傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106～108。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。(2)、寄生電容影響大傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。2/6/2023682.電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能(2)消除和減小邊緣效應(yīng)(3)消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾(4)盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器2/6/202369(1)減小溫度誤差、保證高的絕緣性能

選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝

電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上 噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)）

電極支架：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架

電介質(zhì)：空氣或云母（介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0）采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路，這樣可以通過(guò)某些類型的測(cè)量電路(如電橋)來(lái)減小溫度等誤差。2/6/202370傳感器密封，用以防塵、防潮

傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮?？稍陔姌O表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)。2/6/202371(2).消除和減小邊緣效應(yīng)理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡(jiǎn)化電容量計(jì)算的一種假定。當(dāng)考慮電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性增加。2/6/202372邊緣效應(yīng)

理想電容器的電場(chǎng)線是直線,而實(shí)際電容器只有中間有些區(qū)域勉強(qiáng)是直線,越往外電場(chǎng)線彎曲的越厲害。到電容邊緣時(shí)電場(chǎng)線彎曲最厲害,這種電場(chǎng)線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng).(只針對(duì)平行板電容器)

+-2/6/202373危害：靈敏度降低

產(chǎn)生非線性

適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。2/6/202374等位環(huán)結(jié)構(gòu)邊緣電場(chǎng)均勻電場(chǎng)3321帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1、2－電極3－等位環(huán)等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場(chǎng)。2/6/202375(3)消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾。寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小它。（a）屏蔽和接地（b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地

2/6/202376(4)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差 提高傳感器靈敏度 減小寄生電容的影響 溫度、濕度等環(huán)境因素的影響2/6/2023773.4.4電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感；R2由引線電阻、極板電阻；和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；R1是極間等效漏電阻，極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗；2/6/202378低頻等效電路傳感器電容的阻抗非常大，L和R2的影響可忽略等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻Re≈R1

R1是極間等效漏電阻2/6/202379高頻等效電路電容的阻抗變小，L和R2的影響不可忽略，漏電的影響可忽略，其中Ce=C0+Cp，而Re≈R2,R2由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；R2CL2/6/202380由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨ω變化而變化。

2/6/2023813.4.5電容式傳感器測(cè)量電路(1)調(diào)頻電路(2)運(yùn)算放大器電路(3)雙T型電橋電路(4)脈寬調(diào)制電路2/6/202382(1)調(diào)頻電路測(cè)定頻率經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)成電壓幅值的變化，就可測(cè)得被測(cè)量的變化2/6/202383當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，△c≠0，此時(shí)頻率為具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)

2/6/202384(2)運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性

Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號(hào)運(yùn)算放大器式電路原理圖2/6/202385由運(yùn)算放大器工作原理可知結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性

假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非線性誤差， 但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。

2/6/202386(3)二極管雙T型電路2/6/202387C2C1UERLR1R2i1i2++若將二極管理想化，則正半周時(shí)，VD1導(dǎo)通、VD2截止，電容C1被以極短的時(shí)間充電至UE，電容C2的電壓初始值為UE，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過(guò)RL的放電電流為i2，流過(guò)RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。

2/6/202388UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i2向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的放電電流為i1。流過(guò)RL的總電流iL為i1

和i2的代數(shù)和。2/6/202389其中K是有電阻R1、R2和RL決定的常數(shù)，f為電源電壓頻率，UE為電源電壓幅值?？梢?jiàn)輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源確定后，輸出電壓只是電容C1和C2

的函數(shù)。

在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：2/6/202390電路的特點(diǎn):①線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；②電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；③適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。2/6/202391利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化，通過(guò)低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。(4).差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路2/6/202392循環(huán)工作C2通過(guò)VD2迅速放電至零！C1通過(guò)VD1迅速放電至零！2/6/202393平均值

=02/6/202394uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為式中

UA、UB──A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；

T1、T2──分別為C1和C2的充電時(shí)間；

U1──觸發(fā)器輸出的高電位。2/6/202395C1、C2的充電時(shí)間：Ur：觸發(fā)器的參考電壓設(shè)R1=R2=R，則得：

結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比2/6/202396設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為d1、d2和S1、S2

差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器并具有理論上的線性特性2/6/202397優(yōu)點(diǎn)：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高2/6/2023983.4.6電容式傳感器的應(yīng)用(1)電容式差壓傳感器(2)電容式加速度傳感器(3)電容式振動(dòng)位移傳感器2/6/202399P2玻璃盤(pán)鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測(cè)微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可

2/6/2023100高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器2/6/2023101各種電容式

差壓變送器外形

2/6/20231022/6/2023103231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度電容式加速度傳感器2/6/2023104硅微加工加速度傳感器圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，可輸出與加速度成正比的電壓，也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。2/6/2023105微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安裝螺紋：M5mm，線性誤差：≤1%2/6/2023106硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測(cè)試單元

2—信號(hào)處理電路

3—襯底

4—底層多晶硅（下電極）

5—多晶硅懸臂梁

6—頂層多晶硅（上電極）2/6/2023107

當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將ΔC轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g以上。

如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。2/6/2023108a)測(cè)振幅b)測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測(cè)物振動(dòng)電容式傳感器被測(cè)軸電容式傳感器電容式位移傳感器應(yīng)用

2/6/2023109電荷平衡式位移傳感器可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例已在類似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工