第5章电感式传感器.

计算题：利用电涡流测量板材厚度，已知激励电源频率f＝1MHz，被测材料相对磁导率ur＝1，电阻率，被测板厚为（1＋0.2）mm。要求：（1）计算采用高频反射法测量时，涡流穿透深度h为多少？（2）能否用低频透射法测板厚？（3）画出两种方法的检测示意图。cm6109.2第五章电容传感器应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。按工作原理变极距型变面积型变介电常数型电容元件非电量电容量变化一.工作原理及类型0rSSCddS——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数，；ε——电容极板间介质的绝对介电常数。δSεd、εr、S中任意一个变化都会引起电容量的变化。平面线位移型柱面线位移型角位移型变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)1.变极距型电容传感器000CddCCCdddd00rsCd0001rsCCCCdddd若极距缩小△d初始电容可见C＝f(d)是非线性的，电容的相对变化量：01()1CdCddd如果满足条件＜＜１，可按级数展开成dd23401CdddddCddddd0CdCd略去高次（非线性）项，得：01gCCKdd灵敏度非线性误差：2()100%100%fddedddd由上讨论可知：（1）只有在很小时才有近似线性输出；（2）可以减小d来提高灵敏度；但是会导致非线性误差增大；（3）可采用差动结构。dd24021CdddCddd02CdCd略去高次（非线性）项，得：012gCCKdd灵敏度非线性误差：32()100%()100%fddedddd采用差动结构：122.变面积型电容传感器0000()rrrCCCabaxbddxbd△C与△x是怎样的关系？线性角位移型变面积型电容传感器CCCdAdACAAdAC001110011100：板级间的的相对面积为时，。时，定极板动极板平板电容式角位移传感器△C与θ（角位移）是怎样的关系？线性3.变介电常数型电容式传感器111022()2()2()2lnlnlnlnlnhhhHhHCCDDDDDddddddDHCln20初始电容电容与液位的关系为：△C与电介质高度h是怎样的关系？线性因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝1.2。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：pFmmpFrrHC46.415ln2.1)/85.8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872.146.41ln2120maxLmmHdV6.2352.14)5.0(422LpFLpFpFVCCK/19.06.23546.4107.87minmax二、测量电路1.运算放大器式电路Cx：传感器电容，C：固定电容将Cx=代入上式得()/Sd0uCudS显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。aiUICjU001IIIx0axxUICjU10ixUCCU000,0IUaiZK,-A～uoCCxua2.二极管双T形电路SCUiU1D2D1R2R1C2CLR12aiUtTUU01t2t3t2RLR2C1D2D1R1CiU12aC1、C2传感器的差动电容；（2）二极管双T形电路12CCＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UEC1、C2传感器的差动电容；平衡时：，一个周期内负载电流为零；12IIiUtTUU01t2t3tLILILI3t2t1t0t3.脉宽调制电路R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路GtuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差动脉冲调宽电路各点电压波形图U0输出电压需要整流吗？工作过程分析a）上电后，设触发器A端高电平，则B端低电平则：A（高电平）充电11RCFrUUA1比较器产生一个脉冲触发器翻转一次A低电平（B端高电平）D1通UF迅速放电至零。B端为高电平后，工作过程类似。b）波形分析当C1=C2时，A，B端产生宽度相同的波形，T1＝T2，0ABU当C1C2时，A，B端产生宽度不同的波形，T1T2,0ABUUAB经低通滤波后，得到直流电压U0为12120111121212ABTTTTUUUUUUTTTTTTU1—触发器输出的高电位11111lnFUTRCUU12221lnFUTRCUU设R1＝R2＝R，则120112CCUUCCUr—触发器的参考电压。111(1)TFUUe111RC同理可得：1020CCCCCC差动工作时：10scCUUC则：结论：1）具有线性输出特性；2）输出不需加整流电路，直流信号可表示传感器的大小和方向。三、电容传感器的特点及设计要点优点温度稳定性好；结构简单，适应性强；动态响应好；可以实现非接触测量。缺点输出阻抗高，负载能力差：电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，负载能力差。寄生电容影响大：电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容(1～2m导线可达800pF)、传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，就会降低灵敏度，使传感器工作不稳定。三、电容传感器的特点及设计要点设计要点减小环境温度，湿度等变化的影响，保证绝缘材料的绝缘性能；消除和减小边缘效应；三、电容传感器的特点及设计要点d消除和减小寄生电容的影响①屏蔽和接地；②引线采用屏蔽线，且良好接地；③采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术。1：1＋－测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图极板间隙保护环四、电容传感器的应用电容式键盘常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。IBMThinkpadT42/T43话筒电容式压力传感器P单只变间隙型1P2P差动式电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器内部结构1—高压侧进气口2—低压侧进气口3—过滤片4—空腔5—柔性不锈钢波纹隔离膜片6—导压硅油7—凹形玻璃圆片8—镀金凹形电极9—弹性平膜片10—腔利用电容差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=gh加速度传感器利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动，中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。加速度传感器在汽车中的应用电容式油量表在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。湿敏电容外形吸水高分子薄膜思考题31.根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？2.如何改善单极式变极距电容传感器的非线性？3.电容式传感器主要有哪几种类型的信号调节电路？各有些什么特点？4.影响电容式极距变化型传感器灵敏度的因素有哪些？提高其灵敏度可以采取哪些措施，带来什么后果？5.为什么电容式传感器易受干扰？如何减小干扰？1、已知变面积型电容传感器的两极板间距离为10mm，ε=50μF/m，两极板几何尺寸一样，为30mm×20mm×5mm,在外力作用下，其中动极板在原位置上向外移动了10mm，试求△C=？K=？2、当差动式极距变化型的电容传感器动极板相对于定极板位移了△d=0.75mm时，若初始电容量C1=C2=80pF，初始距离d=4mm，试计算其非线性误差。若将差动电容改为单只平板电容，初始值不变，其非线性误差有多大？3、一个圆形平板电容式传感器，其极板半径为5mm，工作初始间隙为0.3mm，空气介质，所采用的测量电路的灵敏度为100mV/pF,读数仪表灵敏度为5格/mV。如果工作时传感器的间隙产生2μm的变化量，则读数仪表的指示值变化多少格？计算题