传感器与检测技术 .ppt
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1、1,1,传感器与检测技术,2,例题 图为二极管环形检波测量电路。C1和C2为差动式电容传感器,C3为滤波电容,RL为负载电阻。R0为限流电阻。UP是正弦波信号源。设RL很大,并且C3C1,C3C2。试分析此电路工作原理;画出输出端电压UAB在C1=C2、C1C2、C1C2三种情况下波形图;推导数学表达式。,3,UAB波形图如图3-5(b)所示。由波形图可知,,则,输出电压平均值,,式中K为滤波系数,4,上讲复习,1、电容传感器的等效电路,等效电容,5,2、交流不平衡电桥,思考 和应变式传感器直流电桥的关系,6,3、二极管环形检波电路如图3-10所示:,7,4、差动脉冲宽度调制电路,8,5、运算
2、法测量电路,9,3-3 电容式 特点及误差分析1温度稳定性好 传感器的电容值一般与电极材料无关,仅取决于电极的几何尺寸,且空气等介质损耗很小,因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑,合理选择材料和几何尺寸即可,其他因素(因本身发热极小)影响甚微。而电阻式传感器有电阻,供电后产生热量;电感式传感器存在铜损、涡流损耗等,引起本身发热产生零漂。2结构简单,适应性强 电容式传感器结构简单,易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作,适应能力强,尤其可以承受很大的温度变化,在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作,能测超高压和低压差,也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很
3、小,以便实现某些特殊要求的测量。,10,10,3动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小,(约几个10-5N),需要的作用能量极小,又由于它的可动部分可以做得很小很薄,即质量很轻,因此其固有频率很高,动态响应时间短,能在几MHz的频率下工作,特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电,因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数,如测量振动、瞬时压力等。4可以实现非接触测量、具有平均效应当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除上述优点之外,还因带电极
4、板间的静电引力极小,因此所需输入能量极小,所以特别适宜低能量输入的测量,例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨力非常高,能感受0.001m甚至更小的位移。,11,11,不足:1输出阻抗高,负载能力差 电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百pF,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,严重时甚至无法工作,必须采取屏蔽措施,从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十M以上),否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能(如灵
5、敏度降低),为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗,但放大、传输远比低频时复杂,且寄生电容影响加大,难以保证工作稳定。,12,12,2寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小,而其引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大,降低了传感器的灵敏度;这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的,将使传感器工作不稳定,影响测量精度,其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量,致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求3、输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的,
6、虽可采用差动结构来改善,但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时,输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加,使输出特性非线性。,13,13,2消除和减小边缘效应适当减小极间距,使电极直径或边长与间距比增大,可减小边缘效应的影响,但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小,这样也可减小边缘电场的影响。此外,可在结构上增设等位环来消除边缘效应。等位环3与电极2在同一平面上并将电极2包围,且与电极2电绝缘但等电位,这就能使电极2的边缘电力线平直,电极1和2之间的电场基本均匀,而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感
7、器两极板间电场。,边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反,在一定程度上起了补偿作用。,14,14,(1)增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm,圆筒式间距为0.15mm),增加工作面积或工作长度来增加原始电容值,但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF范围内,相对值变化在 10-61范围内。,寄生电容与传感器电容相并联,影响传感器灵敏度,而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度,必须消除和减小它。可采用方法:,3消除和减小寄生电容的影响,(1)增加传感器原始电容值(2)注意传感
8、器的接地和屏蔽;(3)集成化(4)采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术(5)采用运算放大器法;,15,(2)注意传感器的接地和屏蔽 图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳(良导体)同为地,因此当可动极筒移动时,固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变,,从而消除了由此产生的虚假信号。引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响,应尽可能使用短而粗的电缆线,缩短传感器至电路前置级的距离。,绝缘体,屏蔽壳,固定极筒,可动极筒,连杆,导杆,接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图,16,(3)集成化 将传感器与测量电路本身或其前
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