传感器的第四章.pptVIP

第四章 电容式传感器;第四章 电容式传感器;第一节 工作原理与类型 一、工作原理 ——以平板电容器为例（如图），若忽略边缘效应时，其电容量为：;;二、类型（如表4—1P68）;三、各种类型电容传感器特性 （1）变极距型电容传感器（δ型） ——被测量引起δ变化△δ时，电容变化△ C为：;（2）变面积型电容传感器（S型） 平面极板 圆柱面积极板;●圆柱面极板 ;（3）变介电常数型电容传感器（ε型） ——变介电常数型电容传感器可测量电介质的厚度和液位高度，下面分别介绍。 ●测量电介质厚度;对于电介质部分插入传感器中的情况（如图）;●测量液位高度（如图）;第二节 转换电路 ——电容式传感器当接入转换电路时，其电容的变化转换为电压（或电流）的变化而输出。下面介绍几种转换电路。 一、电容式传感器等效电路 ——电容式传感器若考虑到其它参数的影响，可等效为（如图所示电路）。;①在低频时;二、转换电路 ——下面介绍几种转换电路。 1、电桥电路（交流电桥） ——电路如图。;对于上述电路，由于个桥臂阻抗为：;代入前式有：;2、二极管双T型电路——电路如图（a）。; 对电路（c）虚框部分依戴维南定理等效为电压源，则有图（d）整理后等效电路图（e）。; 由图（e）知，此电路为一阶电路，设C2初始电压为UE，则运用三要素法可求得C2中电流为：;由（4-6）式可求得一周期内的平均值IC2为：;故在RL上产生的平均输出电压为：;3、差动脉冲调宽电路 ——电路如图。它由两个比较器、双稳态触发器、两个充放电回路组成。;各点的电压波形（如图）;（4-10）;计算C1、C2的充电时间T1、T2; 显然，若C1、C2为差动式电容传感器，则被测量引起C1、C2变化，而U0随之变化，实现测量目的。;五、运算放大器式电路 ——电路如图。; 显然，极距与输出电压为线性关系，由于（A式）成立的条件是运放器的开环放大系数A=∞、输入阻抗Zi=∞，所以仍存在非线性误差，但当A放大系数和Zi输入阻抗足够大，误差将减小。;第三节 主要性能、特点和设计要点 一、主要性能（静态性能）;①平板形变极距型（△x =△δ）;②圆柱形变面积型;③差动式圆柱形变面积型 ——其输出量为两电容变化之差。;（2）非线性;二、特点 ●优点 1、温度稳定性好；（电容与介质有关，而介质的介电常数与温度关系很小） 2、结构简单，适应性强；（可在高低温、强辐射等环境中应用） 3、动态响应好；（电容极板可做成小而轻） 4、可实现非接触测量。（被测物为另一极） ●缺点 1、输出阻抗高，带负载能力差； 2、受寄生电容影响大。;三、设计要点（设计实用传感器应注意的几个问题） 1、温度湿度的影响 ;2、边缘效应的影响 ——边缘效应即传感器电容边缘电场不均匀的现象。（如图）它将直接影响传感器的灵敏度，使传感器灵敏度下降，非线性失真变大。减小边缘效应的方法为：;3、寄生电容的影响 ——寄生电容是指引线、焊接点、测量电路等形成的总的分布电容CP。它与传感器电容C0等效为并联关系（C= CP + Co ）。显然它影响传感器的精度。减小它的方法为： ①尽量使 Co CP；（依电容公式， S↑,δ↓） ②注意传感器的接地和屏蔽，尽量使用短的电缆线。（如图）;③集成化（电容传感器与前置放大集成为一个芯片） ④驱动电缆技术（双层屏蔽等电位传输技术）;⑤采用运算放大器法（近似驱动技术） ⑥整体屏蔽（选择合适的接地点） ;4、防止和减小外界干扰 ①屏蔽和接地； ②增加原始电容量，降低容抗； ③连接导线要尽量短，导线与导线之间要远离避免平行走线； ④尽可能一点接地避免多点接地； ⑤尽量采用差动式电容传感器。;第四节 电容式传感器举例 一、集成式电容传感器 ——即将电容敏感元件与测量电路（转换电路）制作在一起构成。 （一）基本类型及工作原理 ●基本类型 ;①加速度集成电容传感器 ——电路如图。它由三层多晶硅组成，顶层（第一层）和底层（第三层）固定不动，第二层作为悬臂梁。顶帽其作用是限制悬臂的移动范围，防止悬臂因位移幅度过大而损坏传感器。;②压力集成电容传感器 ——电路如图。它由两个电极，一个硅薄膜以及半导体硅和玻璃构成的支架组成。硅薄膜是由两面分别采用腐蚀方法腐蚀成多晶硅构成。;（二）转换电路 加速度集成电容传感器转换电路如图。它由三个MOS开关、两个差动电容（传感器电容C1和C2）、一个反向器组成。;（三）特点与应用(P82)（自学） 二、容栅式传感器（略） 三、力平衡式电容传感器 ——力平衡式电容