第05章_电容式传感器.pptVIP

特点： 脉冲宽度调制电路对传感器元件的线性要求不高，不论是极距变化型或面积变化型，其输出都与输入变化量成线性关系； 不需要调解电路，只要经过低通滤波器就可以得到直流输出； 调宽脉冲频率的变化对输出无影响； 由于都采用直流稳压电源供电，不存在对波形及频率的要求。 航空与机械工程学院 第四章 电感式传感器 航空与机械工程学院 第五章 电容式传感器 第五章 电容式传感器 各种电容式传感器 电容式接近开关 电容式指纹传感器 电容式变送器 差压传感器 ? 以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。 电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。 5.1 电容式传感器的工作原理及特性 5.1.1 基本工作原理 S ——极板的遮盖面积，单位为m2； ε ——极板间介质的介电系数； δ——两平行极板间的距离，单位为m； ε0 ——真空的介电常数，ε0 =8.854×10-12 F/m； εr ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，εr ≈1。 5.1.2 电容式传感器的类型和特性 1. 变极距型电容传感器 图5-1 变极距型电容传感器 图5-2 C-δ特性曲线 设动片未移动时极板间距为δ0 初始电容量为： 下极板上移： 电容的相对变化量为： 略去高次项，得： 所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δδδ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。 非线性误差与Δδ/δ0有关。其表达式为： 传感器的灵敏度为： 2.变面积型电容传感器 角位移变面积型 显然：电容Cθ 与角位移θ呈线性关系。 板状线位移变面积型 当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S ，电容量C同样随之变化。 线性 同心圆筒形线位移电容式传感器 1、调频电路 5.2测量电路 图5－3 调频式测量电路原理框图 被测信号 调频信号 鉴频信号 调频电路的优点： 抗干扰能力强 特性稳定 高电平直流信号 易于接口 2、脉冲宽度调制电路 又称脉冲调宽电路，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。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。 C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。 图5－4脉冲宽度调制电路 当接通电源后，若触发器Q端为高电平(U1)，端为低电平(0)，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF 升到与参考电压Ur 相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，端为高电平(U1)。此时，电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，此时，电容C2通过二极管D2迅速放电至零，如此交替激励。 显然，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2的调制。当C1=C2 时，电路各点的电压波形如图(a)所示，Q和两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当差动电容C1和C2的值不相等，例如C1＞C2时，C1和C2充放电时间常数发生变化，电路中各点的电压波形如图(b)所示。 根据电路知识可知： 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T1、T2为： A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差， 设R1＝R2＝R，则 说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。 对于差动式变极距型电容传感器： 对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为ΔS，则滤波器输出为： 可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，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。 5－3 电容式传感器的应用 圆筒式液位传感器 其中