传感器第三章电容式传感器.pptVIP

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 第六十一页，共八十九页，2022年，8月28日 3.4.6、电桥电路 电桥输出电压为： 电桥平衡条件： 第六十二页，共八十九页，2022年，8月28日 3.5.1 差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极,而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来,经过放大即可由电表指示测量结果。  3.5 电容式传感器的应用 第六十三页，共八十九页，2022年，8月28日 可见，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间实际成非线性关系，当|Δd/d0|1时，可略去高次项，得到近似的线性关系： (3-17)  (3-18) 说明：单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小（即灵敏度）与d0呈反比关系。 电容式传感器的灵敏度定义为，电容变化与所引起该变化的可动部件的机械位移变化之比。即变极距电容传感器的灵敏度为： 第二十九页，共八十九页，2022年，8月28日 如果考虑式（3-16）中的线性项与二次项， 则 (3-19) 由此可得出传感器的相对非线性误差δ为 (3-20) 由式（3-16）与式（3-18）可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。 第三十页，共八十九页，2022年，8月28日 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。 如图3-9所示, 在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd, 则 (3-21) (3-22) 第三十一页，共八十九页，2022年，8月28日 图3-9 差动平板式电容传感器结构图 第三十二页，共八十九页，2022年，8月28日 在Δd/d01时, 按级数展开得 (3-23) (3-24) 电容值总的变化量为: (3-25) 第三十三页，共八十九页，2022年，8月28日 电容值相对变化量为 (3-26) 略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似成为如下的线性关系： (3-27) 如果只考虑式（3-24）中的线性项和三次项, 则电容式传感器的相对非线性误差δ近似为 (3-28) 第三十四页，共八十九页，2022年，8月28日 差动的好处 灵敏度得到一倍的改善 线性度得到改善 差动： 差动： 非差动： 非差动： 第三十五页，共八十九页，2022年，8月28日 3.3 电容式传感器的等效电路 如图所示电路，Rp为并联损耗电阻，它代表极板问的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大。Rs代表串联损耗，即引线电阻，电容器支架和极板的电阻。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。 由等效电路可知，等效电路有一个谐振频率，通 常为几十兆赫。实际工作中，应该选择低于谐振频率的工作频率。 图3-9 电容式传感器的等效电路 第三十六页，共八十九页，2022年，8月28日 传感元件的有效电容Ce可由下式求得(为了计算方便，忽略Rs和Rp): 第三十七页，共八十九页，2022年，8月28日 在这种情况下，电容的实际相对变化量为 (3-19) 式(3-19)表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L的角频率ω有关。 因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。 第三十八页，共八十九页，2022年，8月28日 3.４ 电容式传感器的测量电路 3.4.1 调频电路 　　把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分, 当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。 　　可将频率作为输出量用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。如图3-11所示。 图中调频振荡器的振荡频率为 (3-29) 第三十九页，共八十九页，2022年，8月28日 式中： C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容, C2为传感器引线分布电容, Cx=C0±ΔC为传感器的电容。 图3-