【正文】 頻電路將電容式傳感器作為 LC 振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時，電容 C 發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化 ? ? 0000000 222121dxfCCfLCLCCfff ???????????? ??3) 運算放大器電路 ?? SCuCCuuxy0000 ????特點 ： 電容變化轉(zhuǎn)變成電壓變化，可以消除非線性誤差 電容式傳感器特點 ? 它結(jié)構(gòu)簡單，體積小 ? 靈敏度和分辨率高 ， 可測量 ?m級位移變化量 (測微儀 ) ? 動態(tài)特性好 ， 因其可動部分質(zhì)量小，固有頻率高 ? 可非接觸式測量 ， 可 動態(tài) 、 靜態(tài)測量 ? 穩(wěn)定性好， 電容器極板多為金屬材料，極板間多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強磁場、強幅射下 和強烈振動等惡劣條件下 長期 工作 ，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題 ? 非線性誤差較大， 受外界電容影響大 ，量程小，應(yīng)用受限制 電容傳感器應(yīng)用 ? 應(yīng)用于壓力、液位、振動、位移、加速度、成分含量等 ? 非接觸測量 ? 1 震動 ， 偏心 ， 同心度 ? 2 位移 ， 位置 ， 膨脹 ? 3 撓度 ， 波動 ， 傾斜 ? 4 尺寸 ， 公差 ， 分選 ， 另件識別 ? 5 沖擊 ， 應(yīng)變 ， 軸向振動 ? 6 軸承振動 ， 油膜間隙 ， 磨擦 礦山 工程中應(yīng)用 — 孔隙水壓力計 ?位移計、孔隙水壓力計、水位計 ?孔隙水壓力計 礦山 工程中應(yīng)用 — 液位計 它是一根絕緣層覆蓋金屬棒插入盛液容器內(nèi)，金屬棒作為電容的一個極，容器壁作為電容的另一極。???? ???? d xC CCL??實際輸入輸出關(guān)系 ?非線性誤差 3) 變間隙式電容傳感器靈敏度 ?靈敏度 K 的定義為 00 1/dxCCKL ???? 可見靈敏度 KL 與初始間隙 d0 的成反比 4)差動變間隙式電容傳感器 ? 差動變間隙式電容傳感器結(jié)構(gòu) ? 動極 3板與固定極板 1組成電容器 C1，與固定極板 2組成電容器 C2，動極板 3隨被測物理量移動。 其測量誤差一般小于 2％ 在 礦業(yè) 、 土木工程中 ， 主要有測力傳感器 、位移 、 加速度傳感器 、 壓強傳感器 、 壓力盒等 1) 測力傳感器 測力傳感器 是目前使用最廣泛的一種測力傳感器，它靈敏度高，可測力的瞬時值 電阻應(yīng)變式測力傳感器照片 應(yīng)變式稱重傳感器樣本 2) 膜片式壓力傳感器（壓力盒 ） 壓力盒外觀 土壓力 孔隙水壓力 膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)和原理 ? 當(dāng)膜片受到土壓力時，膜片將產(chǎn)生徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變 ? ? ? ? )0(813813222222 ????? rEhRpEhRpr?????? ? ? ? ? ? ? ?EhrRpEhrRpr 222222228138313 ?????? ?????? ? )(0413222 RrEhRpr ?????????? 只利用徑向應(yīng)變：中心處貼 2片（正應(yīng)變） 在邊緣處沿徑向貼 2片（負應(yīng)變） (全橋接法） ? 利用徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變 3 ) 位移傳感器 ? 當(dāng)自由端受待測物體的作用力而產(chǎn)生位移時，應(yīng)變片產(chǎn)生與位移成正比的電阻變化 ? 電阻式位移測量范圍較小，在 ?m~，其測量精度小于 2%，線性度在 ~%之間 電容式傳感器 定義： 電容式傳感器是以各種形式的電容器作為變換器或傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化的傳感器 + + + ? A ? ? 三軸加速度傳感器 ? 汽車發(fā)生碰撞 電容式傳感器實物圖 ? 水位計 壓力計 電容式傳感器工作原理 平板電容器：當(dāng)忽略邊界效應(yīng)時，兩個金屬平板間的電容為 dSC ??? ?— 兩極板間的介電常數(shù) ? S— 兩極板相對有效面積 ? d— 兩極板間的間隙 ? C— 兩金屬板間的電容 + + + d A ? 電容式傳感器工作原理 ?改變電容 C的方法有三種 其一改變兩個極板間的距離 其二改變形成電容的有效面積 其三改變介質(zhì)介電常數(shù) ?以上任何一種變化都將產(chǎn)生電容值的改變，從而構(gòu)成電容式變換器 dSC ?? 變間隙式電容傳感器 + + + + + + 1) 輸入 輸出特性關(guān)系 ? 當(dāng)其中一個極板在被測參量作用下發(fā)生位移，使間隙 d0 減少了 x， 則電容 C0將增加 ?C 電容的變化量為 00000011dxdxCCxdSCCC???????? ?10001 ???? ）（ dxdxC C? 電容的相對變化量為 輸入輸出級數(shù)展開式 ? 當(dāng) x/d01 時，上式括號按級數(shù)展開得 ?????????????????????????????? ?3020000 1 dxdxdxdxCC d0 — 初始間隙 c0 — 初始電容量 ? 輸入 輸出關(guān)系具有嚴(yán)重的非線性 輸入輸出 的關(guān)系 2) 線性化和非線性誤差 ?線性化后，輸入與輸出關(guān)系 00d xCC ??????????????????????? ?2000039。增加測量的精度 FTFTFRRERRRRRERRRRRRRREU??????????????????? ?????????2)]([44 443322110 電阻應(yīng)變式傳感器的特點和應(yīng)用 ? 特點 ? 測量范圍廣 、 靈敏度和精確度高 。這兩個工作片互為溫度補償片。工作片與補償片分別接入測量電橋的相鄰橋臂，通過電路本身的特性來抵消兩應(yīng)變片由溫度產(chǎn)生的電阻增量 )(4)]([442121443322110RRRERRRRRERRRRRRRREUTT?????????????????? ?????????b 工作片補償法 在一定條件下，補償片亦可由工作片代替。00 ??????? ?? KUUUm誤差數(shù)字計算 當(dāng) K?2,??2022?? 時 , ? =%； 當(dāng) K=100,ε=2022?? 時， ? =10% 結(jié)論： ? 對一般金屬應(yīng)變片非線性誤差較小 ? 對于半導(dǎo)體應(yīng)變片非線性誤差較大 雙臂差動電橋非線性誤差 ? 雙臂差動電橋?qū)嶋H的電壓輸出 ? ?? ?? ?? ?EKERRERRRRRRRRERRRRRRRRRRRRU?212)()(432134432132410??????????????????????? 結(jié)論： ? 電壓輸出與應(yīng)變變化是線性的，無非線性誤差 ? 提高電橋靈敏度 5) 電橋溫度補償特性 ?目的 應(yīng)變片電阻會隨環(huán)境溫度的變化而改變。 ? 當(dāng)橋臂 1電阻產(chǎn)生 時，電橋失去平衡，此時電橋輸出電壓為 2431 RRRR ?? ?? ? ERRRRRRU432140 ?????R?? 電壓平衡條件 ： 當(dāng)電壓平衡條件時，電橋輸出電壓為零 ? 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓姌虬央娮璧淖兓D(zhuǎn)變成電壓的變化 應(yīng)變片在電橋中連接方法 ? 應(yīng)變片在電橋中連接方法 ?三種方法 — 單臂接法、半橋接法、全橋接法 全等臂電橋 ? 實際應(yīng)用中大多采用等臂電橋，即有 R1=R2=R3=R4=R ? 設(shè)工作應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變后電阻增量 ， 則有 EKERRU ?4140 ????R?? K— 應(yīng)變片的靈敏系數(shù) ? 小結(jié)： ? 應(yīng)變片將應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化， ? 電橋?qū)㈦娮枳兓儞Q為輸出電壓的變化，輸出的電壓與應(yīng)變片的電阻變化成線性關(guān)系 ? 測量了電橋電壓的變化，測量了應(yīng)變 交流電橋 ?為什么用交流電橋 ?采用高穩(wěn)定性直流電流放大器，復(fù)雜且昂貴，測量電路多用交流電橋和放大器 ?交流電橋不僅在應(yīng)變測量中得到應(yīng)用，在電感式、電容式傳感器測量線路中應(yīng)得到應(yīng)用 交流電橋接線圖 交流電橋 )4,3,2,1( ??? ijXRZ iiifLLX Li ?? 2??fccX Ci ?? 211 ??? 阻抗 ? 容抗 ? 感抗 ? Xj—電抗 ? ? 、 f— 電源的角頻率，頻率 交流電橋輸出和電橋平衡條件 ? 對于交流電壓電橋要求負載阻抗為無窮大，相當(dāng)于輸出端為開路，在此條件下 ))(( 43213241..0 ZZZZZZZZUU????4231 ZZZZ ??電橋平衡條件 實部，虛部同時相等 — 幅值平衡和相位平街 42313241???? ???? ZZZZ橋臂阻抗發(fā)生變化時電壓輸出 ?處于平衡狀態(tài)的任一橋臂的阻抗發(fā)生變化時，輸出的電壓 ))(( 432114.. 0ZZZZZZUU?????ZZUU 4.. 0 ???ZZZZZ ???? 4321電壓輸出為 ?對于等臂電橋 電橋特性 1)電橋加減特性 ? 處于平衡狀態(tài)的電橋，當(dāng)四個橋臂電阻都發(fā)生很小變化，應(yīng)用差分方法和電橋平衡條件便可得到此時電壓輸出值 ? ? ? ? ? ? ? ? ???????? ????????????? 424333243422211122120 RRRRRRRRRRRRRRRREU? ? ???????? ????????? 4433221122121RRRRRRRRRRRRE? ?? ? ERRRRRRRRU432124310 ????4321 , RRRR ????電橋加減特性分析 ? 差動特性