43 电容式传感器的等效电路.ppt

图4-3变面积式电容传感器示意图 图4-4 变介电常数式电容传感器示意图 按泰勒级数展开 差动电容传感器: 图4-9 紧耦合电感比率臂电桥等效电路 【例4-2】 现有一只0~20mm的电容式位移传感器，其结构如图例4-2所示，已知L=25mm，R1＝6mm，R2=5.7mm，r=4.5mm，CBC构成固定电容CF，CAC随活动导杆的深入而变化构成传感电容Cx ，拟采用理想运放电路，试回答： 1）要求运放输出电压与输入位移x成正比，在运放线路中CF与Cx应如何连接? 2）活动导杆每深入lmm所引起的电容变化量为多少？ 3）输入电压U=6v时，位移为1mm，输山电压U0为多少？ 解：1）为了使U0=f(x)呈线性关系，CF与Cx要分别接在理想运放的反馈支路和输入支路，即CF要接在图4-11 Cx的位置，Cx接在图4-11 C0的位置，C端接运算放大器反相输入端，D端接运算放大器同相输入端且接地。按理想运算放大器的条件，可得特性式 2 电容式液位计 【例4-3】 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储液罐也是圆柱体，直径为50cm，高H为1.2m，被储存液体为非导电液体，其εr=2.1。采用的信号调理电路如图所示，MAV检波器完成整流、低通滤波、得到直流信号的功能，此处MAV检波器输入为正弦波，其输出直流电压与输入交流信号峰值之比为。CA3140为高输入阻抗运算放大器。 （1）计算传感器的最小电容、最大电容、灵敏度； （2）要求输出电压信号与频率无关，且对空罐为0V，满罐为1V，请确定信号调理电路各个元件的参数 3 电容式湿度计 传感元件由氧化铝薄膜制成，氧化铝薄膜吸水后，电容值产生变化，故根据其电容值即可得到湿度值。 图4-14 CS2001的内部电路框图 4.5 电容式传感器的典型应用举例 4.5.1 电容传感系统的设计要点 1 绝缘与保护材料 2 消除和减小边缘效应 3 削弱寄生电容的影响 （1） 增加初始电容值。 （2） 注意接地与屏蔽。 （3） 采用驱动屏蔽技术 （4） 将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。 （5） 利用运算放大器的虚地来减小电缆电容影响。 图4-17 采用防护环削弱边缘效应 4.5.2 电容传感器应用举例 1 电容式压力计 利用膜片作为弹性元件，在压力作用下，膜片变形，以改变膜片与电容定极之间的距离，使压力计的电容发生变化。 优点： 灵敏度高，所需的测量力很小，因此可以测量微压，内部没有大幅度的位移元件，寿命长。 其次它的动态响应快，可以测量快变压力。 另外根据测量要求不同，可以制成不同结构，也可以作到较小尺寸。 缺点：传感器与连接线路的寄生电容影响大，非线性较严重。 解： （1）两个直径分别为d1、d2的同轴圆柱体,介质为两段非导电材料，相对介电常数分别为ε1、ε2，高度分别为h1、h2 ，总电容为 将d2=40mm，d1=8mm，H=1.2m，εr=2.1代入，液位为零时电容值最小 满罐时电容值最大 储液罐体积为 因此传感器灵敏度为 （2）该电路是一个交流电桥电路，其输出电流经运算放大器电路被变换成电压。由于包含传感器的分压器的等效输出阻抗为容抗，故互阻抗也必须是容抗，R仅起到对运算放大器加偏置的作用。运算放大器输出信号经C4和R4网络高通滤波，然后经MAV检波器完成整流、低通滤波，得到直流信号。设运算放大器为理想运算放大器，则 上式中s为Laplace变换中的复频率 要求空罐时为零伏电压输出，即当Cx =Cmin时Va=0，等价于 亦即 当该条件被满足时，运算放大器输出信号为 为了在满罐时输出1V直流电压信号，要求 选择 则要求 实际电容器参数难以如此精确，可以选择 由空罐零输出条件得到 同样，由于实际电容器参数难以如此精确，可以将C1采用180pF的电容与20pF的微调电容并联实现，C、C1诸多分散性通过这只微调电容器的实际调整来弥补。 激励频率受运算放大器转换速率的限制。CA3140转换速率为7V/μs，由于运算放大器最大输出与满罐工况对应，故要求 即 * * 第四章 电容式传感器及其信号调理 4.1 电容式传感器的工作原理 4.2 电容式传感器的传感特性 4.3 电容式传感器的等效电路 4.4 电容式传感器的信号调理 4.5 电容式传感器的典型应用举例 4.1 电容式传感器的工作原理 4.1.1 传感原理： 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 ——极板面积(m2)； ——极板间距离(m)； ——真空介电常数， ——介质的相对介电常数。 图4-1 平行板电容器 4.