感測技術--ch5-3剖析

1、第三部分 電容式傳感器 工作原理與類型工作原理與類型 轉換電路轉換電路 性能、特點及設計要點性能、特點及設計要點 電容傳感器應用電容傳感器應用 電容式集成傳感器電容式集成傳感器 一、工作原理和類型 定義：定義：將被測非電量的變化轉換為電容量變化的傳感器。 應用應用：位移、加速度、液位、振動及濕度。 由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應, 其電容量為 原理式原理式0rSSC 式中: 電容極板間介質的介電常數(shù), =0r, 其中0為真空介電常數(shù), r為極板間介質相對介電常數(shù); S 兩平行板所覆蓋的面積; 兩平行板之間的距離。 當被測參數(shù)變化使得式中的S, 或 發(fā)生變化

2、時, 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變, 而僅改變其中一個參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化, 通過測量電路就可轉換為電量輸出。因此, 電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。 類型變極距（間距）型電容傳感器類型變極距（間距）型電容傳感器 當傳感器的和S為常數(shù), 初始極距為 時, 可知其初始電容量C0為0SC若電容器極板間距 因被測量變化而變化 時，則有 0SSSCC 原理非線性，實際中作成差動式來改變其非線性 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在 20100pF之間, 極板間距離在25200m的范圍內, 最大位移應小于間距的1/10, 故在微位移測量

3、中應用最廣。 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器圓柱形電容器的電容量212ln(/ )lCrr當兩圓筒相對移動 時，電容變化量為l212122()ln(/ )ln(/ )lllCrrrr212ln(/ )lrr0lCl具有良好線性 變介質型電容傳感器有較多的結構型式, 可以用來測量紙張#, 絕緣薄膜等的厚度, 也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導電固體介質的濕度。 變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器根據各種介質的介電常數(shù)不同，檢測液面高度同心圓柱狀極板，插入液體深度h，兩極板間構成電容式傳感器（并聯(lián)）12ccc122()

4、lnlnhHhDDdddDhdDHln)(2ln21dDhcln)(210此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。測量被測介質的插入深度測量被測介質的插入深度（1）無介質插入010 000rL bc （2）有介質插入 兩段電容并聯(lián)102120 00()rrLLLcccb0000) 1(2LLcccccr可見, 電容的變化與電介質r2的移動量L呈線性關系。 電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小, 這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示, 也很難為記錄儀所接受, 不便于傳輸。這就必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量, 并將其轉換成與其成單值函數(shù)關系的電壓、電流或者頻率。電容轉換

5、電路有調頻電路、運算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調制電路等。二 轉換電路 調頻測量電路調頻測量電路 調頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當輸入量導致電容量發(fā)生變化時, 振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。 雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量, 用以判斷被測非電量的大小, 但此時系統(tǒng)是非線性的, 不易校正, 因此加入鑒頻器, 將頻率的變化轉換為振幅的變化, 經過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。調頻測量電路原理框圖如圖 所示。調頻振蕩器的振蕩頻率為21)(21LCf式中: L振蕩回路的電感; C振蕩回路的總電容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1為振蕩回路固有電容

6、; C2為傳感器引線分布電容; C0C為傳感器的電容。 當被測信號為0時, C =0, 則C =C1+C2+C0, 所以振蕩器有一個固有頻率f0, f0= 當被測信號不為 0 時, C0, 振蕩器頻率有相應變化, 此時頻率為 21021)(21LCCCffLccccf021021)(21 調頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度, 可以測至0.01 m級位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測量和與計算機通訊, 抗干擾能力強, 可以發(fā)送、接收以實現(xiàn)遙測遙控。 電橋電路電橋電路 將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個臂(另一臂為固定電容)或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個

7、二次線圈。其中另兩個臂是緊耦合，電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性。2012211210200021()1()iiiiUZUUZZZZUZZZjCCZjCCCUUC圖圖5-8電橋電路電橋電路 電容傳感器可以直接測量的非電量為，直線位移、角位移及介質的幾何尺寸(或稱物位)，直線位移及角位移可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)的。 用來測量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往來用單極式變間隙電容傳感器，使用時常將被測物作為傳感器的一個極板，而另一個電極板在傳感器內。二、電容式傳感器的應用二、電容式傳感器的應用電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器1、結構、結構 質量塊兩個經過磨平拋光的平面與兩個固

8、定極板構成差動電容傳感器。11212k aCCkaCC2、原理、原理 當傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時, 質量塊在慣性空間中相對靜止, 而兩個固定電極將相對質量塊在垂直方向上產生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，此電容增量正比于被測加速度。 電容式差壓傳感器電容式差壓傳感器一個膜片動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動電容器壓力差使膜片變形產生位移時，兩個電容器電容量發(fā)生變化。1002001SCCCSCCCkP2111200CCkPk PCC 將差動電容器接于橋式電路PkUCCCCUZZZZUUiii222211221210 差動式電容測厚傳感器差動式電容測厚傳感器1、結構、結構傳感器上下兩個極板與金屬板上下表面間構成電容傳感器。 2、原理、原理 將被測電容C1、C2作為各變換振蕩器的回路電容, 振蕩器的其它參數(shù)為固定值, C0為耦合和寄生電容, 振蕩頻率分別為21011)(21CCLfx21022)(21CCLfx11rxxSCd22rxxSCd調頻式差動電容式