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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 動態(tài)特性好 且能在高溫 輻射和強烈振動等惡劣條件下工作 電容式傳感器可用于測量壓力 位移 振動 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為相對介電常數(shù)用S為極板相對覆蓋面積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極板中 一個是固定不動的 稱為定極板 另一個是可移動的 稱為動極板 1 直線位移式電容的相對變化量和靈敏度為為提高測量精度 也常用如圖4 3所示的結(jié)構(gòu)形式 以減少動極板與定極板之間的相對極距可能變化而引起的測量誤差 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)被測的變化量使動極板有一角位移q時 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差動角位移式電容傳感器原理圖 在實際應(yīng)用中 也采用差動結(jié)構(gòu) 以提高靈敏度 角位移測量用的差動式結(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)電容的相對變化量和靈敏度分別為差動式電容的相對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 差動式傳感器的非線性誤差減少了一個數(shù)量級 而且提高了測量靈敏度 所以在實際應(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 若被測介質(zhì)的介電常數(shù)ex已知 測出輸出電容C的值 可求出待測材料的厚度x 若厚度x已知 測出輸出電容C的值 也可求出待測材料的介電常數(shù)ex 因此 可將此傳感器用作介電常數(shù)ex測量儀 圖4 8平面式測位移傳感器 圖4 9測厚儀 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)外筒為兩個同心圓筒 分別作為電容的兩個極 如圖4 11所示為一種電容式液面計的原理圖 在介電常數(shù)為ex的被測液體中 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量x 液面計的輸出電容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 4 2測量電路 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 運算放大器式測量電路理想運算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為采用基本運算放大器的最大特點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運算放大器式測量電路 圖4 15調(diào)零電路 4 2 2差動脈沖寬度調(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應(yīng)于被測量變化的直流信號 圖4 16差動脈沖寬度調(diào)制電路 a C1 C2 b C1 C2圖4 17電路各點的充放電波形 當(dāng)電阻R1 R2 R時 則有由此可知 差動脈沖寬度調(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)頻式該測量電路把電容式傳感器與一個電感元件配合 構(gòu)成一個振蕩器諧振電路 當(dāng)傳感器工作時 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)采用差動對稱結(jié)構(gòu) 在測量電路中加以補償 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)檢測精度要求很高時 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同心圓環(huán) 致使極板周邊極間電場分布均勻 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式結(jié)構(gòu) 當(dāng)測量桿隨被測位移運動而帶動活動電極位移時 導(dǎo)致活動電極與兩個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量微小壓差 3 電容測厚儀電容測厚儀的關(guān)鍵部件之一就是電容測厚傳感器 在板材軋制過程中由它監(jiān)測金屬板材的厚度變化情況 圖4 21差動電容式壓力傳感器原理圖 圖4 22電容測厚儀工作原理 小結(jié)變電容式傳感器是將被測量的變化轉(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 動態(tài)特性好等優(yōu)點 且能在高溫 輻射和強烈振動等惡劣條件下工作 只要固定平行板電容器3個參量d S e中的兩個 只要另外一個參數(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量電路 將微小的電容