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第4章電容式傳感器 4 1電容式傳感器工作原理及分類4 2測(cè)量電路4 3電容式傳感器的應(yīng)用1F 106 F 109nF 1012pF 電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器 它具有結(jié)構(gòu)簡單 分辨率高 抗過載能力大 動(dòng)態(tài)特性好 且能在高溫 輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作 電容式傳感器可用于測(cè)量壓力 位移 振動(dòng) 液位 厚度 4 1電容式傳感器工作原理 C S d 0 r S d 0 rC為電容 0 8 85 10 12F m r為相對(duì)介電常數(shù)用S為極板相對(duì)覆蓋面積m2d為極板間距電容式傳感器分為變面積式 變間隙式 變介電常數(shù)式三大類 其中變面積式可分為直線位移式 角位移式 變介電常數(shù)式可分為平面介電常數(shù)式 圓筒介電常數(shù)式 4 1電容式傳感器工作原理 4 1 1變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中 一個(gè)是固定不動(dòng)的 稱為定極板 另一個(gè)是可移動(dòng)的 稱為動(dòng)極板 1 直線位移式電容的相對(duì)變化量和靈敏度為為提高測(cè)量精度 也常用如圖4 3所示的結(jié)構(gòu)形式 以減少動(dòng)極板與定極板之間的相對(duì)極距可能變化而引起的測(cè)量誤差 圖4 2變面積型電容傳感器原理圖 圖4 3中間極板移動(dòng)變面積式電容傳感器原理圖 4 1電容式傳感器工作原理 2 角位移式當(dāng)被測(cè)的變化量使動(dòng)極板有一角位移q時(shí) 兩極板間互相覆蓋的面積被改變 從而改變兩極板間的電容量C 圖4 4角位移式電容傳感器原理圖 圖4 5差動(dòng)角位移式電容傳感器原理圖 在實(shí)際應(yīng)用中 也采用差動(dòng)結(jié)構(gòu) 以提高靈敏度 角位移測(cè)量用的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)如圖4 5所示 4 1 2變間隙式電容傳感器基本結(jié)構(gòu)電容的相對(duì)變化量和靈敏度分別為差動(dòng)式電容的相對(duì)變化量和靈敏度分別為與基本結(jié)構(gòu)間隙式傳感器相比 差動(dòng)式傳感器的非線性誤差減少了一個(gè)數(shù)量級(jí) 而且提高了測(cè)量靈敏度 所以在實(shí)際應(yīng)用中被較多采用 圖4 6基本的變間隙式電容傳感器 圖4 7差動(dòng)結(jié)構(gòu)的變間隙電容傳感器 4 1 3變介電常數(shù)式電容傳感器1 平面式電容變化量DC與位移Dx呈線性關(guān)系 若被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)ex已知 測(cè)出輸出電容C的值 可求出待測(cè)材料的厚度x 若厚度x已知 測(cè)出輸出電容C的值 也可求出待測(cè)材料的介電常數(shù)ex 因此 可將此傳感器用作介電常數(shù)ex測(cè)量儀 圖4 8平面式測(cè)位移傳感器 圖4 9測(cè)厚儀 2 圓柱式電介質(zhì)電容器大多采用圓柱式 其基本結(jié)構(gòu)如圖4 10所示 內(nèi)外筒為兩個(gè)同心圓筒 分別作為電容的兩個(gè)極 如圖4 11所示為一種電容式液面計(jì)的原理圖 在介電常數(shù)為ex的被測(cè)液體中 放入該圓柱式電容器 液體上面氣體的介電常數(shù)為e 液體浸沒電極的高度就是被測(cè)量x 液面計(jì)的輸出電容C與液面高度x成線性關(guān)系 圖4 10圓柱式電容器結(jié)構(gòu)圖 圖4 11電容式液面計(jì) 4 2測(cè)量電路 4 2 1調(diào)幅型電路1 交流電橋電路 1 單臂橋式電路 2 差動(dòng)接法變壓器交流電橋電路 圖4 12單臂接法交流電橋電路 圖4 13變壓器交流電橋電路 2 運(yùn)算放大器式測(cè)量電路理想運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為采用基本運(yùn)算放大器的最大特點(diǎn)是電路輸出電壓與電容傳感器的極距成正比 使基本變間隙式電容傳感器的輸出特性具有線性特性 圖4 14運(yùn)算放大器式測(cè)量電路 圖4 15調(diào)零電路 4 2 2差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路電路的工作原理 利用傳感器電容充放電 使電路輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而變化 再通過低頻濾波器得到對(duì)應(yīng)于被測(cè)量變化的直流信號(hào) 圖4 16差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 a C1 C2 b C1 C2圖4 17電路各點(diǎn)的充放電波形 當(dāng)電阻R1 R2 R時(shí) 則有由此可知 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制型電路 其輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系 4 2 3調(diào)頻電路1 載波頻率改變的調(diào)幅調(diào)頻式該測(cè)量電路把電容式傳感器與一個(gè)電感元件配合 構(gòu)成一個(gè)振蕩器諧振電路 當(dāng)傳感器工作時(shí) 電容量發(fā)生變化 導(dǎo)致振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化 再經(jīng)過鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化 經(jīng)放大器放大后即可顯示 這種方法稱為調(diào)頻法 調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率 圖4 18調(diào)頻 鑒頻電路原理圖 4 3實(shí)際中存在的問題及其解決辦法 1 溫度影響應(yīng)盡量選擇溫度系數(shù)小且穩(wěn)定的金屬材料做電容器極板 如鐵鎳合金 此外 應(yīng)采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu) 在測(cè)量電路中加以補(bǔ)償 極板支承架應(yīng)選擇絕緣性能良好的材料 如陶瓷 石英等高絕緣電阻 低吸濕性材料 圖4 19極板周邊加裝同心圓環(huán)示意圖 2 電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)增加極板面積和減小極間距離可減小邊緣效應(yīng)的影響 當(dāng)檢測(cè)精度要求很高時(shí) 可考慮加裝等位環(huán) 如圖4 19所示 即在極板周邊外圍的同一平面上加裝一個(gè)同心圓環(huán) 致使極板周邊極間電場(chǎng)分布均勻 以消除邊緣效應(yīng)的影響 3 寄生電容的影響 1 減小引線長度 2 屏蔽 4 4電容式傳感器的應(yīng)用 1 電容式位移傳感器采用了差動(dòng)式結(jié)構(gòu) 當(dāng)測(cè)量桿隨被測(cè)位移運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)活動(dòng)電極位移時(shí) 導(dǎo)致活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極間的覆蓋面積發(fā)生變化 其電容量也相應(yīng)產(chǎn)生變化 圖4 20變面積式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖 2 電容式壓力傳感器該壓力傳感器可用于測(cè)量微小壓差 3 電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀的關(guān)鍵部件之一就是電容測(cè)厚傳感器 在板材軋制過程中由它監(jiān)測(cè)金屬板材的厚度變化情況 圖4 21差動(dòng)電容式壓力傳感器原理圖 圖4 22電容測(cè)厚儀工作原理 小結(jié)變電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器 它具有結(jié)構(gòu)簡單 分辨率高 抗過載能力大 動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn) 且能在高溫 輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作 只要固定平行板電容器3個(gè)參量d S e中的兩個(gè) 只要另外一個(gè)參數(shù)改變 則電容量就將產(chǎn)生變化 所以電容式傳感器可以分成3種類型 變面積式 變間隙式與變介電常數(shù)式 電容傳感器的輸出電容值一般十分微小 幾乎都在幾皮法至幾十皮法之間 因而必須借助于一些測(cè)量電路 將微小的電容