傳感器與檢測技術(shù)

SensorandMeasurementTechnologyCh0;Ch1;Ch2;Ch3;Ch4;Ch5;Ch6;Ch7;Ch8;Ch9第4章電容式傳感器第4章電容式傳感器

傳感器的工作原理及類型1

電容傳感器的靈敏度及非線性2

電容傳感器的特性等效電路3

電容傳感器的設(shè)計要點4

電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路5

電容式傳感器的應(yīng)用舉例64.1電容式傳感器的工作原理及類型工作原理用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容C為

S—極板相對覆蓋面積；δ—極板間距離；εr—相對介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0

＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。Sδε4.1電容式傳感器的工作原理及類型類型變極距(或稱變間隙〕型、變面積型和變介電常數(shù)型。電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。圖4-1變極距型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理4.1電容式傳感器的工作原理及類型圖4-2變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖4-3變介電常數(shù)型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖4.2電容傳感器的靈敏度及非線性變極距型電容傳感器：當(dāng)動片隨被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化，其電容變化量ΔC為C0—極距為時的初始電容量。

δ2變極距型電容傳感器1CC0C-特性曲線4.2電容傳感器的靈敏度及非線性變面積型電容傳感器：變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時為l—外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋局部的長度；r2、r1—圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓筒相對移動Δl時，電容變化量ΔC為4.2電容傳感器的靈敏度及非線性變介電常數(shù)型電容傳感器：大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。假設(shè)忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如以下圖，傳感器的電容量與被測厚度的關(guān)系為〔C與δ成單值函數(shù)關(guān)系〕δx厚度傳感器C1C2C3C4.2電容傳感器的靈敏度及非線性假設(shè)忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如以下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為C1C2C3CC4l平板形lx

a、b、lx:固定極板長度和寬度及被測物進入兩極板間的長度；δ:兩固定極板間的距離；δx、ε、ε0:被測物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。

4.2電容傳感器的靈敏度及非線性假設(shè)忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如以下圖，傳感器的電容量與被測液位的關(guān)系為液位傳感器hC1CC22r12r2hx4.3電容傳感器的等效電路4.3.1電容傳感器的特點

4.3.2電容式傳感器的等效電路

4.3.1電容傳感器的特點優(yōu)點：①溫度穩(wěn)定性好②結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強③動態(tài)響應(yīng)好④可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)點4.3.1電容傳感器的特點缺點：①輸出阻抗高，負載能力差②寄生電容影響大③輸出特性非線性4.3.2電容式傳感器的等效電路

C0CpRgLrCeReLreCe供電電源頻率為諧振頻率的1/3~1/24.4電容傳感器的設(shè)計要點1．保證絕緣材料的絕緣性能電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好。傳感器內(nèi)電極外表不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封。傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機械強度外還要有穩(wěn)定的性能。在可能的情況下，傳感器內(nèi)盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu)，這樣可以通過某些類型的測量電路(如電橋)來減小溫度等誤差。4.4電容傳感器的設(shè)計要點2．消除和減小邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場1233邊緣電場4.4電容傳感器的設(shè)計要點4.4電容傳感器的設(shè)計要點4．防止和減小外界干擾屏蔽和接地。增加原始電容值以降低容抗。導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠，以減小導(dǎo)線間分布電容的靜電感應(yīng)。導(dǎo)線要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時可采用同軸屏蔽線。盡可能一點接地，防止多點按地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰∷⒕€。盡量采用差動式電容傳感電路，可減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路

1.電橋電路圖4-13電容式傳感器構(gòu)成交流電橋的一些形式4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路2.二極管雙T形電路電路原理如圖(a)。供電電壓是幅值為±UE、周期為T、占空比為50％的方波。假設(shè)將二極管理想化，那么當(dāng)電源為正半周時，電路等效成典型的一階電路，如圖(b)。C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C24.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，可直接得到電容C2的電流iC2如下：

在［R＋〔RRL〕/〔R＋RL〕］C2〔時間常數(shù)〕<<T/2時, 電流iC2的平均值IC2可以寫成下式：4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路同理，負半周時電容C1的平均電流:

故在負載RL上產(chǎn)生的電壓為

4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路3.差動脈沖調(diào)寬電路利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過低通濾波器得到對應(yīng)被測量變化的直流信號。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差動脈沖調(diào)寬電路GU14.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)U0差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為UA、UB—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為設(shè)R1＝R2＝R，那么Ur—觸發(fā)器的參考電壓。4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為1、2和S1、S2，將平行板電容公式代入上式，對差動式變極距型和變面積型電容式傳感器可得可見差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容式傳感器，并具有理論上的線性特性。具有這個特性的電容測量電路還有差動變壓器式電容電橋和由二極管T形電路經(jīng)改進得到的二極管環(huán)形檢彼電路等。4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路4.運算放大器式電路其最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。其原理如圖運算放大器式電路原理圖-AuoCCxu∑～代入4.6電容式