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第四章電容式傳感器4.1工作原理與類型4.2轉(zhuǎn)換電路4.3性能、特點及設(shè)計要點4.4電容傳感器應(yīng)用第一節(jié)工作原理和類型

定義：將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。

應(yīng)用：位移、加速度、液位、振動及濕度。

由絕緣介質(zhì)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(yīng),其電容量為一、工作原理式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),ε=ε0·εr,其中ε0為真空介電常數(shù),εr為極板間介質(zhì)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(dāng)被測參數(shù)變化使得式中的S,ε或發(fā)生變化時,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(zhuǎn)換為電容量的變化,通過測量電路就可轉(zhuǎn)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(zhì)型三種類型。

二、變極距（間距）型電容傳感器

當(dāng)傳感器的ε和S為常數(shù),初始極距為時,可知其初始電容量C0為若電容器極板間距因被測量變化而減小時，則有原理非線性，實際中采用差動式來改善其非線性。一般變極距式電容傳感器的起始電容在20～100pF之間,極板間距離在25～200μm的范圍內(nèi),最大位移應(yīng)小于間距的1/10,故在微位移測量中應(yīng)用最廣。2.變面積型電容式傳感器圓柱形電容器的電容量當(dāng)兩圓筒相對移動時，電容變化量為具有良好線性3.變介電常數(shù)型電容式傳感器根據(jù)各種介質(zhì)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(gòu)成電容式傳感器（并聯(lián)）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(zhì)的插入深度（1）無介質(zhì)插入（2）有介質(zhì)插入兩段電容并聯(lián)可見,電容的變化與電介質(zhì)εr2的移動量L呈線性關(guān)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(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)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(diào)制電路等。第二節(jié)轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓或頻率等信號電容式傳感器等效電路L為電纜線電感和電容器本身電感；r為導(dǎo)線電阻、極板電阻、金屬支架電阻；C0為傳感器本身電容；Cp為引線電纜電容、極板與外界形成的寄生電容；Rg為極間等效漏電阻（漏電損耗、介質(zhì)損耗、極板與外界的漏電損耗）一、調(diào)頻測量電路

調(diào)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(dāng)輸入量導(dǎo)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(zhuǎn)換為振幅的變化,經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。調(diào)頻測量電路原理框圖如圖所示。調(diào)頻測量電路原理框圖如圖所示。C0±ΔC為傳感器的電容。f0=當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時,振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。運算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。③集成化:將傳感器與測量電路做在一個殼體內(nèi)。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(nèi)。使與其并聯(lián)的寄生電容的影響可忽略。能克服變極距型電容式傳感器的非線性。極板質(zhì)量小且靜態(tài)引力極小，適合動態(tài)測量。①增加傳感器原始電容值:采用減小極板或極筒間的間距，增大工作面積來增大原始電容量。測量被測介質(zhì)的插入深度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(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率?！獌善叫邪逯g的距離。電容器電容值小，在頻率較低時，容抗較大，帶負(fù)載能力較差。實現(xiàn)將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓或頻率等信號調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為式中:L——振蕩回路的電感;C——振蕩回路的總電容，C=C1+C2+C0±ΔC。其中,C1為振蕩回路固有電容;C2為傳感器引線分布電容;C0±ΔC為傳感器的電容。調(diào)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。使與其并聯(lián)的寄生電容的影響可忽略。第一節(jié)工作原理和類型圓柱型變面積電容傳感器運算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。0006，試計算該傳感器的位移靈敏度。Cp為引線電纜電容、極板與外界形成的寄生電容；因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。C0為傳感器本身電容；因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。①增加傳感器原始電容值:采用減小極板或極筒間的間距，增大工作面積來增大原始電容量。2、結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),ε=ε0·εr,其中ε0為真空介電常數(shù),εr為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù);第三節(jié)主要性能、特點和設(shè)計要點測量被測介質(zhì)的插入深度當(dāng)被測信號為0時,ΔC=0,則C=C1+C2+C0,所以振蕩器有一個固有頻率f0,f0=

當(dāng)被測信號不為0時,ΔC≠0,振蕩器頻率有相應(yīng)變化,此時頻率為

調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高靈敏度,可以測至0.01μm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。二、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。電橋電路三、運算放大器式電路將電容傳感器接于放大器反饋回路，輸入電路接固定電容。構(gòu)成反相放大器。能克服變極距型電容式傳感器的非線性。則代入上式得式中“—”號表示輸出電壓與電源電壓相反。如果傳感器是一只平板電容運算放大器電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題。為保證儀器精度,還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。第三節(jié)主要性能、特點和設(shè)計要點一、主要性能（一）靜態(tài)靈敏度變極距型電容傳感器由得由于將上式展成泰勒級數(shù)得圓柱型變面積電容傳感器由得差動變面積電容傳感器結(jié)論：差動式比單組式的靈敏度提高一倍（二）非線性變極距型因采用差動形式得：結(jié)論：變面積和變介質(zhì)型電容傳感器比變極距型電容傳感器的線性度好主要特點及設(shè)計要點一、特點優(yōu)點：1、溫度穩(wěn)定性好電容值與電極材料無關(guān)，自身發(fā)熱極小。2、結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強能在較惡劣的環(huán)境下可靠工作。3、動態(tài)響應(yīng)好極板質(zhì)量小且靜態(tài)引力極小，適合動態(tài)測量。4、可實現(xiàn)非接觸測量在測量物料料位、物體振動振幅等時，電容器極板與被測體表面構(gòu)成電容器，實現(xiàn)非接觸測量。缺點：1、輸出阻抗高，帶負(fù)載能力差電容器電容值小，在頻率較低時，容抗較大，帶負(fù)載能力較差。2、寄生電容影響較大在電容器與測量電路較遠(yuǎn)，需用電纜線連接時，導(dǎo)線與極板間的寄生電容較大。造成測量誤差。設(shè)計要點1.采用差動結(jié)構(gòu)，減小環(huán)境溫度濕度的影響，提高靈敏度，減小非線性，減小寄生電容的影響。2.消除和減小邊緣效應(yīng)①減小極距②電極做得?、鄣任画h(huán)3.減小和消除寄生電容的影響①增加傳感器原始電容值:采用減小極板或極筒間的間距，增大工作面積來增大原始電容量。使與其并聯(lián)的寄生電容的影響可忽略。②接地和屏蔽:將傳感器動極板與屏蔽殼同地，動極板與屏蔽殼間的電容為常量。③集成化:將傳感器與測量電路做在一個殼體內(nèi)。④采用運算放大器法⑤整體屏蔽：將傳感器、電源、轉(zhuǎn)換電路、電纜用一個屏蔽殼屏蔽起來，橋路兩固定阻抗間為接地點，減小外部干擾，消除電纜寄生電容的影響。4.防止和減小外界干擾5.盡量采用差動式電容傳感器例題：有一只變極距電容傳感元件，兩極板重疊有效面積為，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對介電常數(shù)是1.0006，試計算該傳感器的位移靈敏度。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(zhì)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(nèi)。第四節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用一、電容式位移傳感器是一種單電極的電容式振動位移傳感器，它的平面測端電極1是電容器的一極，通過電極座5由引線接入電路，另一極是被測物表面。圓筒式變面積的差動電容式位移傳感器二、電容式加速度傳感器1、結(jié)構(gòu)

質(zhì)量塊兩個經(jīng)過磨平拋光的平面與兩個固定極板構(gòu)成差動電容傳感器。2、原理當(dāng)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(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止,而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)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。三、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(chǎn)生位移時，兩個電容器電容量發(fā)生變化。將差動電容器接于橋式電路