传及工程应用第5章.ppt

第5章 电容式传感器 图5-5 电容式角位移传感器原理图 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 图5-8 差动平板式电容传感器结构 5.3 电容式传感器的测量电路 5.4 电容式传感器的应用 如图，设有一只以空气为介质的电容器，由于装配误差，一边间距为d0 ，一边间距为d0+d‘，求其电容的大小。 (面积为s=a*b) 若传感器输入不为 0, 则C1 ≠ C2, 那么I1≠I2, 此时RL上必定有信号输出, 其输出在一个周期内的平均值为 式中f为电源频率。 当RL已知, 式（5 - 32）中［R（R+2RL）/（R+RL）2］RL = M（常数）, 则  Uo=Ei fM(C1-C2) 从式（5 - 33）可知, 输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关, 而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。 当电源电压确定后, 输出电压Uo是电容C1和C2的函数。该电路输出电压较高, 当电源频率为 1.3MHz, 电源电压Ei= 46V时, 电容从-7～+7pF变化, 可以在 1MΩ负载上得到-5～+5 V的直流输出电压。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要求稳定。当Ui幅值较高, 使二极管VD1、VD2工作在线性区域时, 测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关, 而仅与R1、R2及RL有关, 其值为1～100kΩ。 输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电阻上升时间为 20 μs左右, 故可用来测量高速的机械运动。  四、 脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路如图 5 - 12 所示。 图中C1、C2为差动式电容传感器, 电阻R1=R2, A1、A2为比较器。当双稳态触发器处于某一状态, Q=1, =0, A点高电位通过R1对C1充电, 时间常数为τ1 = R1 C1, 直至F点电位高于参比电位Ur, 比较器A1输出正跳变信号。与此同时, 因 = 0, 电容器C2上已充电流通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转, 使Q = 0, = 1, 于是A点为低电位, C1通过VD1迅速放电, 而B点高电位通过R2对C2充电, 时间常数为τ2=R2C2, 直至G点电位高于参比电位Ur。 图5－12 差动脉冲调宽电路 a）初态 （b）工态 图4－10 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 比较器A2输出正跳变信号, 使触发器发生翻转, 重复前述过程。 电路各点波形如图 5 - 13 所示, 当差动电容器的C1 = C2时, 其平均电压值为零。当差动电容C1 ≠ C2, 且C1 C2时, 则τ1 = R1 C1τ2 = R2 C2 。由于充放电时间常数变化, 使电路中各点电压波形产生相应改变。 ? 如图 5 - 13（b）所示, 此时uA、uB脉冲宽度不再相等, 一个周期（T1+T2）时间内其平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后, 可获得输出 式中: U1——触发器输出高电平;T1、T2——C1、C2充放电至Ur所需时间。 由电路知识可知: T1 =R1C1ln （5 - 35） T2 = （5 - 36） 将T1、T2代入式（5 - 34）, 得 把平行板电容的公式代入式（5 - 37）, 在变极板距离的情况下可得 式（5 - 38）中d1、d2分别为C1、C2极板间距离。  当差动电容C1 = C2 = C0, 即d1 = d2 = d0时, uAB = 0; 若C1≠ C2, 设C1 C2, 即d1 =d0 -d, d2 = d0+Δd, 则 同样, 在变面积电容传感器中, 则有 由此可见, 差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器, 并具有线性特性, 且转换效率高, 经过低通放大器就有较大的直流输出, 且调宽频率的变化对输出没有影响。  一、 电容式压力传感器 图 5 - 14 所示为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极