传感器与检测技术3.4 电容式传感器-2

3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.4电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗rC0CPRgL低频等效电路传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容C=C0+Cp，等效电阻Re≈RgCRg高频等效电路电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中C=C0+Cp，而re≈rreCLRCjLjCje11LCCCe21由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此时电容传感器的等效灵敏度为2222)1()1/(LCkdLCCdCkgee当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.5电容式传感器测量电路(1)运算放大器电路(2)脉宽调制电路(3)调频电路(4)双T型电桥电路(1).运算放大器式电路最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号运算放大器式电路原理图uC-ACx∑～u0由运算放大器工作原理可知ujCjCuCCuxx011/()/()()/xCSd0uCudS结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。(2).差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号差动脉冲调宽电路原理图uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中UA、UB──A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2──分别为C1和C2的充电时间；U1──触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间TRCUUUr11111lnTRCUUUr22211ln式中Ur──触发器的参考电压设R1=R2=R，则得UCCCCUr01212结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2差动变极距型差动变面积型21021EddUUddEUSSSSU12210特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器并具有理论上的线性特性(3)调频电路)(212101CCCCLLCfi当被测信号为零时，△C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，)(21010CCCLfi当被测信号不为零时，△c≠0，此时频率为ffCCCCLfi001)(21具有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强(4)二极管双T型电路电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路UERRRULLEiC2C2U0RRLR±电路的特点:①线路简单，可全部放在探头内，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；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。优点：采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高