天大 测控 考研 传感技术与测控电路 4（可编辑）

天大 测控 考研 传感技术与测控电路 4（可编辑） CH4 电容式传感器ch4 电容式传感器 ?1工作原理 ?1工作原理 ?2特性与特点 ?2特性与特点 ?3转换电路 ?3转换电路 ?4容栅式传感器 ?4容栅式传感器 ?5应用 ?5应用ch4 电容式传感器 基本原理:是把被测量变化转换成电容量变化 的传感器。 本质:电容量可变的电容器。 C x4.1 工作原理 一、基本原理 A δ ε4.1 工作原理 一、基本原理ACA - 极板相对覆盖面积; ε -介质的介电常数; δ -极板间距离。4.1 工作原理 二、分类 变面积型AC 变极距型 变介电常数型4.1 工作原理 二、分类4.1 工作原理 二、分类4.1 工作原理 二、分类4.2 特性与特点 一、输出特性--变δ型1? 24.2 特性与特点 一、输出特性--变δ型A C f ? A0 C04.2 特性与特点 一、输出特性--变δ型 ?1/? C0 CCCC? 1(1) 0 0? 1 /C? 0 0 00?1/? C0 CCCC? 1当 0 0 1 时? 1 /C? 0 0 002 3C? (2)1 C 0 0 00? 04.2 特性与特点 一、输出特性--变δ型 略去高次项,得输出特性:C? (3)C0 0 原理上,变δ型存在非线性问题。4.2 特性与特点 一、输出特性--变δ型C C? A 0 0 灵敏度: S (4 ) 20 0 (1 )灵敏度与A 、 ε成正比; (2 ) δ 越小,S越大,但可能击穿,测量范围小; 0 (3 )S 可以很大,实现纳米测量。4.2 特性与特点 一、输出特性--变δ型 如何改善变极距型的线性? 1、差动技术 2、容抗作为输出 1 1X c C? A4.2 特性与特点 一、输出特性--变A型 电容量 灵敏度4.2 特性与特点 一、输出特性--变A型 电容量 灵敏度4.2 特性与特点 一、输出特性--变A型 电容量 灵敏度4.2 特性与特点 一、输出特性--变A型 特点: 输入与输出为线性关系; 线性范围大; 灵敏度S是常数,但灵敏 度较低; 可测角位移。4.2 特性与特点 一、输出特性--变 ε型 C C A B1A和ε具有对称性,2 但计算方法不同,结论一致。? 2 x l4.2 特性与特点 一、输出特性--变 ε型 存在介质时,CC +C (并联) A B C C A B b l C(5) 0 1 12 x1 1 2CCC 0 02 (6) l? 1 2 1 2 dC C1 0 1 2 (7) x S dx l? 1 2 1 2 l4.2 特性与特点 一、输出特性--变 ε型 特点:输出与输入为线性关系,灵敏度S为常数;可测物质的属性及几何量。 4.2 特性与特点 二、特点 (1)易于实现,适应性强; (2)温度稳定性好; (3)动态响应好; (4)可实现非接触式测量; (5)具有平均效应; (6)变极距型分辨力高,可以实现nm级测量。4.2 特性与特点 二、特点 (1)输出阻抗高,负载能力差; (2)易受寄生电容影响; (3)存在边缘效应。4.2 特性与特点 三、优化 1、等位环减小边缘效应4.2 特性与特点 三、优化设计 2、驱动电缆技术-减小寄生电容的影响 + 1:1 - 放大 电路4.2 特性与特点 三、优化设计 驱动电缆技术:传输信号电缆线的芯线与 屏蔽层通过1:1的放大器而等电位,即屏蔽层 上产生与传感器信号同步变化的电压。4.3 转换电路 一、等效电路 C 0 C e C p r L R R g (b )低频 (a) 等效电路4.3 转换电路 一、等效电路 C 0 C e C p r r L L R g (c )高频 (a)等效电路4.3 转换电路 二、二极管双T形电路 VD R 2 2 VD R 1 1 R 1 R R 2 C L C 1 R 2 L C 24.3 转换电路 二、二极管双T形电路 U =K U f(C - C ) (1) o 1 2 (1)线路较简单,可全部放在探头里,减小了寄 生电容的影响; (2)输出电压与电源的幅值和频率有关,对电源要求较高; (3)输出阻抗为R,克服了电容式传感器高内阻的缺点。4.3 转换电路 三、差动脉冲调宽电路 VD 1 A 1 F A Q R 1 双稳 C 1 态触 U r 发器 C R Q 2 2 B G A 2 VD 24.3 转换电路 VD 1 F Q R A 1 C 1 R 2 B C 2 Q G VD 2u u A A U 1 U 1 0 0 t t u u B B U 1 U 1 0 0 t t u u A B A B U U 1 1 U 0 0 0 t t - U - U 1 1 U F T U T 1 F 1 U U r r 0 0 t U t U G G T T 2 2 U U r r 0 0 t t b a4.3 转换电路 三、差动脉冲调宽电路 C - C 1 2 U = U o r (2 ) C + C 1 2 输出电压与电容变化成线性关系。4.3 转换电路 四、运算放大器式电路 C 0 U = - o U (3) i C x - A C 0 δ U 。 U = - o U (4 ) i εA 解决变极距型电容器的非线性。4.4 容栅式传感器 问题提出:如何解决电容式位移传感器的高精度与 小量程矛盾? 解决方法:将电容式感器极板做成栅状,相对移 动时电容发生周期性变化。4.4 容栅式传感器 一、工作原理 x 动栅 定栅 W4.4 容栅式传感器 一、工作原理 x C C C x 0 W 2W