《智能检测技术与传感器》第五、六章.pptx

第五章 电容式传感器;?;?;?;?;?;?;?;?;?;5.2.1 调频电路 调频电路工作原理如图5-9所示。传感器电容作为振荡器谐振回路的一部分，当被测量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率也随之变化(调频信号)，其输出经限幅、放大、鉴频后变成电压输出。 为了防止干扰使调频信号产生寄生调幅，在鉴频器前常加一个限幅器，将干扰及寄生调幅削平，使进入鉴频器的调频信号是等幅的。鉴频器的作用是将调频信号的瞬时频率变化恢复成原调制信号电压的变化，它是调频信号的解调器。 调频电路具有抗干扰性强、灵敏度高等优点，其缺点是寄生电容对测量精度的影响较大，因此必须采取适当的措施来减小或消除寄生电容的影响。常用的措施包括缩短传感器和测量电路之间的电缆、采用专用的驱动电缆或者将传感器与测量电路做成一体等。;?;?;?; (2)不需要解调电路，只要经过低通滤波器就可以得到直流输出； (3)调宽脉冲频率的变化对输出无影响； (4)由于采用直流稳压电源供电，因此不存在对其波形及频率的要求。 所有这些特点都是其他电容测量电路无法比拟的。 ; 电容式传感器将被测量转换成相应的电容的变化量，具有高灵敏度、高精度、高分辨力和稳定可靠等优点，但在实际应用中，容易受到如温度、湿度、电场边缘效应、寄生与分布电容等因素的影响，使得特性不稳定，严重时甚至无法工作。因此，在设计和应用电容式传感器时必须予以考虑。 5.3.1 温度误差 环境温度变化会引起电容式传感器内部零件形状、尺寸、大小及零件材料的线膨胀系数的变化，从而产生测量误差。在设计电极支架时，应当选用温度系数小、几何尺寸稳定、绝缘性高以及低吸潮性的材料，如果温度不太高，也可用聚四氟乙烯材料。在选择电介质时，应该选择介电常数的温度系数接近零的材料，否则会因为温度改变而产生测量误差。如果可能，传感器尽量采用差动对称结构，以减少温度引起的误差。 下面以图5-12所示电容式测压传感器为例，对温度误差进行分析。;?;?;?;5.3.3 寄生电容与分布电容的影响 电容式传感器除了在极板间产生电容外，极板与其周围的???他元器件甚至人体间也会产生一定的附加电容(包括引线的分布电容)，这种电容称为寄生电容。由于传感器本身的电容量非常小，寄生电容又极不稳定，因此它的存在改变了电容式传感器的电容量，直接导致了传感器的不稳定，在很大程度上影响了传感器的正常工作。为了消除和减小寄生电容对电容式传感器的影响，提高仪器的测量精度，可采用以下几种方法： (1)增加传感器自身的原始电容值。 可采用减小传感器极板或极筒间的距离(一般来说平板式极板间距为0.2mm～0.5mm，圆筒式极筒间距为0.15mm)，增加测量面积或长度等方法来增大传感器的原始电容值，从而降低寄生电容的影响。但该方法受限于传感器的结构、装配工艺、击穿电压、精度及量程等外在条件。 (2)集成化。 将传感器与测量电路的前置级装在一个壳体内，省去从传感器至前置级的电缆引线，这样寄生电容会大幅度减小并且易保持固定不变，使仪器能够稳定工作。但这种集成化的传感器会因其电子元器件产生温度漂移而难以应用于高温、低温或其他环境恶劣的场景。;?;?;?;第六章 压电式传感器;?;?;?;?;?;?;?;?;?;?;?;?;?; 压电元件受力产生电荷后，需要由镀附在表面的电极完成输出。压电元件是一个电荷源，同时也是一个以压电材料为介质的电容。电荷只有在电容无泄漏的情况下才能保存，压电元件和后续放大器的输入阻抗尽管很高，但还是不能保证电荷的不泄漏，只是泄漏的速度有快有慢，因此压电式传感器不适宜做静态测量。压电式传感器一般用来检测交变的力信号，如机床切削力的动态测量和振动的测量(压电加速度传感器)。 单片压电元件产生的电荷很小，为了提高响应的灵敏度，在实际使用中常采用两片或多片同类压电元件叠放的结构。由于压电元件产生的电荷是有极性的，因此有串联、并联两种接法。如图6-12所示，图(a)是两片压电元件的负端接在一起，中间插入金属电极，成为压电传感器负端输出，外侧的两个正端短接形成压电传感器的正端输出，这种接法类似两个电容的并联，称为并联接法。图(b)是两片压电元件的不同极性的端面接在一起，另外两侧形成压电传感器的正、负端输出，这种接法类似两个电容的串联，称为串联接法。;?;?;?;?;?