第3章 几何量传感-电阻电容式（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学）

1 传感器与检测技术 第5章 几何量传感 学习目标 了解和认识几何量传感器器件、工作原理、测控方法及应用等知识 能分析几何量测控系统功能、作用 能够选择和使用相关传感器进行检测 电阻式： （电位计） 应变式： 物理量变化 电阻变化 传感元件 属于大电阻变化型，R：0—R传 物理量变化 变形 （应力、应变） 敏感元件 属于微电阻变化型 传感元件 电阻变化 5.1 电阻式传感器 第2章？ 电位计式传感器的优、缺点： 优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。 缺点： 存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。 电位计分类 按输出-输入特性 线性电位计 非线性电位计 按结构形式 线绕式—在传感器中应用较多 薄膜式—具有较高的精度和线性特性 光电式—无摩擦和磨损，分辨率高 应用案例：机器人 原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻 电阻式应变片传感器 应用 一、位移 二、液位 应变式位移传感器 测量范围10~100nm，动态响应特性好。 液位（使用压力传感器） 适用于大量污物、杂质液体液位的测量 5.2 电容式传感器 1 电容式传感器工作原理 10 电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。 电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。 11 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 S—极板相对覆盖面积； d—极板间距离；εr—相对介电常数； ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m； ε —电容极板间介质的介电常数。 δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0、d或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化； εr 的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 S d ε 分类： 1）变面积(S)型 12 2）变介质介电常数型 13 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。 几种介质的相对介电常数 若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为 液位传感器 h C1 C C2 可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。 2r2 2r1 hx 15 例 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。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr ＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L) 解： 16 3）变极板间距(d)型 17 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变间隙式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？ 电容与位移的关系： Cx=ɛA/(d0±x) 灵敏度k= ɛA/[ (d0±x) 2] 结论： 当d0小时，更加灵敏。但测量位移也小些。应用中初始电容 在10-几十皮发之间。 为了增大灵敏度，可做成差动式。 二、测量转换电路 （一）交流不平衡桥 如图所示： Z1为电容传感器阻抗，当Z1 Z4 ＝Z2 Z3，则USC=0。当被测参数变化时引起传感器阻抗变化ΔZ，其输出为： =± E ΔC 2 C0 （二）调频电路 原理：用电容传感器与电感L组成LC震荡电路，实现C-f的变换，进行测量。 调频 震荡 电路 限幅 电路 鉴频 器 放大 器 Cx L f±Δf U0±ΔU 电压输出 f=1/(2π√LC ) （三）差动脉冲宽度调制电路 如图5-17所示： 图5-17 差动脉冲调宽电路原理图 C1C2--传感器的两个差动电容； A1A2--两个电压比较器； Ur--参考直流电压 由分析可得出：电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1C2调制，当C1＝C2时， 和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零，如图5-18（a)所示: 图5-18 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 当时 ，各点的电压波形如图5-18(b)所示 ： 经低通滤波后，就可得到一直流电压 ： T1、T2分别为C1、C2的充电时间；U1为触发器输出的高电位。 当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，可有： 对于差动变面积式电容传感器，可有： 由上分析可见： 差动脉冲调宽电路不需要载频和附加