传感器——电容传感器.pptVIP

第三章 电容传感器 特点： 测量范围大，灵敏度高； 动态响应时间短； 结构简单，适应性强。 问题： 存在寄生电容； 变间距（隙）型传感器有非线性输出特性。 第三章 电容传感器 本章主要内容 工作原理、主要静态性能和分类 等效电路、主要动态性能和测量电路 补偿技术：等位环技术和驱动电缆技术 第三章 电容传感器 一、工作原理 平行板电容器： 圆筒型电容器： 电容单位：[PF] 按工作原理，电容传感器可分为变面积、变 间距和变电介质型传感器。 1、变面积（S）型电容传感器 输出信号：非差动式- 差动式- （与电路配合） 理论线性度为0； 理论灵敏度：非差动式- 差动式- （与电路配合） 2、变间距（d）型电容传感器 输出信号：非差动式- 差动式- （与电路配合） 理论线性度： 理论灵敏度：非差动式- 差动式- （与电路配合） 3、变电介质型电容传感器 电容液位仪： 工作原理的数学表达式： 灵敏度： 线性度： 实现条件：液体与极板间绝缘。 电容测厚仪：工作原理的数学表达式- 电容传感器工作原理总结 二、电容传感器的测量电路 1、等效电路 高温高湿情况下，要考虑电极间的等效漏电阻 供电频率较高时，要考虑传感器和其传输线的电感 L，以及传输线的电阻 。 一般情况下有： 等效电容 为： 等效电路 有： 一般条件下电容的实际变化量： 说明：此时输出信号与供电频率和传输线电感有 关，所以要求一般情况下测量条件应与 标定条件一致（频率范围和传输线不变）。 2、测量电路 交流电桥 z1为电容传感器阻抗，电桥另三臂为固定阻抗；理想情况下有： 初始平衡条件： （2个条件） i=1，2，3，4。 （1）交流电桥 当被测量引起传感器阻抗变化时，桥路失去平 衡，在 条件下，有输出电压： 设 ， ， 有： （1）交流电桥 设 ， ，有： 其模和幅角为： 公式使用条件：z1为电容传感器 结果讨论 一般取a=1，有： ① 时，有 ； ② 时，有 。 思考：如果z1、z2均为电容传感器，结果如何？ 常用交流电桥的形式 （2）差动脉冲宽度调制电路 A1、A2为比较器；C1、C2构成差动式电容传感器。 差动脉冲宽度调制电路 当C1=C2时，线路上各点电压波形如右图所示。 此时，A、B两点间的平均电压为0。 差动脉冲宽度调制电路 当C1大于C2时，线路上各点电压波形如图所示。 差动脉冲宽度调制电路 此时，A、B两点间经低通滤波后的输出直流电压 为： 、 为A、B两点间电压的平均值，有： 则有： 差动脉冲宽度调制电路 充电时间： 若电路中有 ，则得： 差动电容的变化使充电时间不同，从而使触发器输出端的方波脉冲宽度不同。 一般矩形波的频率为：100kHZ—1MHZ。 （3）运放电路 理想情况下，有： 运放电路应用特例—可实现调零的运放 驱动电缆技术原理图（a） 驱动电缆技术原理图（b） 使用要求： 小时使用（优势是无附加电容）。 等电位条件： 几点说明： 变间距型电容传感器中，极板间距离不超过1mm，多用来测量微米（μm）级的位移，最大位移量应限制在间距的1/10范围内。 变面积型传感器中，只能测量厘米（cm）数量级的位移。 一般电容的变化在10-3到103pF范围内，相对值 C/C的变化则在10-6~1范围内。输出阻抗在108~10