傳感器原理及工程應(yīng)用 第5章1w

5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器,如果不考慮邊緣效應(yīng),其電容量為第5章電容式傳感器電容式傳感器分為變極距、變面積和變介質(zhì)三種類型。傳感器的εr和S為常數(shù),初始極距為d0時(shí),C0為5.1.1變極距型電容傳感器圖為變極距型電容式傳感器的原理圖。der若極板間距離由初始值d0縮小Δd,電容量增大ΔC,則有在d0小時(shí),同樣的Δd變化引起的ΔC大,傳感器靈敏度高。采用高介電常數(shù)的材料時(shí)C為dge0egd0云母片相對(duì)介電常數(shù)是空氣7倍,擊穿電壓為空氣的333倍。且(dg/ε0εg)恒定,使傳感器輸出特性的線性度改善變極距電容式傳感器起始電容在20～100pF,極距在25～200μm,最大位移應(yīng)小于間距的1/10,用于微位移測(cè)量。傳感器輸出特性C=f(d)不是線性關(guān)系,而是雙曲線關(guān)系。變極距電容傳感器只在Δd/d0很小時(shí),才有近似線性輸出xbaDxdS變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。5.1.2變面積型電容式傳感器傳感器其電容量C與水平位移Δx是線性關(guān)系q電容式角位移傳感器原理圖.傳感器的電容量C與θ呈線性關(guān)系。當(dāng)θ=0時(shí):C0=ε0εrpS0/d=ε0εrpr/d左圖是一種測(cè)量液位高低的變極板間介質(zhì)的電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖5.1.3變介質(zhì)型電容式傳感器

設(shè)被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)為ε1,空氣為ε0,液面高度為h,總高度為H,內(nèi)筒外徑為d,外筒內(nèi)徑為D,變換器電容值為變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。變介質(zhì)型電容傳感器可測(cè)厚度,也可測(cè)非導(dǎo)電固體濕度若電介質(zhì)εr1=1,當(dāng)L=0時(shí),傳感器初始電容C0=ε0L0b0/d0圖示一種常用的結(jié)構(gòu)型式。相對(duì)介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)傳感器總電容量C為電容的變化與電介質(zhì)εr2的移動(dòng)量L呈線性關(guān)系。介質(zhì)進(jìn)入極間L電容的相對(duì)變化為除變極距型電容傳感器外,其它幾種形式傳感器的輸入量與輸出電容量之間的關(guān)系均為線性的,故只討論變極距型平板電容傳感器的靈敏度及非線性當(dāng)時(shí)，得5.2電容式傳感器的靈敏度及非線性可知,電容的相對(duì)變化量為相對(duì)變化量ΔC/C與輸入位移Δd之間呈非線性關(guān)系。電容傳感器的靈敏度為單位輸入位移引起輸出電容相對(duì)變化大小與d0呈反比關(guān)系因Δd/d0<<1時(shí)，可得到近似的線性如果考慮線性項(xiàng)與二次項(xiàng),則傳感器的相對(duì)非線性誤差δ為減小起始間隙d0，可提高靈敏度。但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。為了提高靈敏度,減小非線性誤差,常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)圖是變極距型差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。因Δd/d0<<1時(shí),則按級(jí)數(shù)展開:在差動(dòng)式平板電容器中,當(dāng)動(dòng)極板位移Δd時(shí),電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-Δd,電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+Δd,則電容值總的變化量為電容值相對(duì)變化量為電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差δ近似為差動(dòng)式電容傳感器靈敏度提高一倍,非線性誤差大大降低靈敏度近似為測(cè)量電路檢出微小電容增量,并轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。5.3電容式傳感器的測(cè)量電路電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)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。調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路一部分5.3.1調(diào)頻測(cè)量電路輸入量導(dǎo)致電容量變化時(shí),振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。頻率可作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量,判斷被測(cè)非電量的大小。系統(tǒng)是非線性的,不易校正,加入鑒頻器,將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化,經(jīng)過(guò)放大用儀器指示或記錄儀記錄。C=C1+C2+C0±ΔC調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如圖圖中調(diào)頻振蕩器振蕩頻率為當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí),ΔC=0,則C=C1+C2+C0,所以振蕩器有一個(gè)固有頻率f0,當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí),ΔC≠0,振蕩器頻率相應(yīng)變化,頻率為較高靈敏度,可測(cè)至0.01μm級(jí)位移。易于用數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊,抗干擾能力強(qiáng),可發(fā)、收實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K非常大,而且輸入阻抗Zi很高。5.3.2運(yùn)算放大器式電路電容式傳感器理想測(cè)量電路運(yùn)算放大器式電路原理圖。由運(yùn)算放大器工作原理可得若傳感器是一只平板電容,則Cx=εS/d,有式中“-”號(hào)表示