教案項(xiàng)目電容式傳感器精品資料

1、3.2 電容式傳感器電容式傳感器的工作原理由絕緣介質(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CSd當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d 或 發(fā)生變化時(shí)，電容量C 也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)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(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。1變間隙型電容傳感器Adr變間隙式電容式傳感器當(dāng)傳感器的 r 和 S為常數(shù)，初始極距為d0 時(shí)，初始電容量C0 為0r SC0d0若電容器極板間距離由初始值d0 縮小了CC0C在式中，若d/ d0<<1 時(shí)，則展成級(jí)數(shù)：d，

2、電容量增大了C0r SC0d0d1ddCC0 12dd30ddC0 1d0d0d0d0此時(shí) C與d 近似呈線性關(guān)系， 所以變極距型電容式傳感器只有在d/ d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。另外，在 d0 較小時(shí)，對(duì)于同樣的d 變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但 d0 過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì), 如圖所示，此時(shí)電容 C 變?yōu)椋篊Sd0d g0g0式中： g云母的相對(duì)介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)， 0=1；d0空氣隙厚度；dg云母片的厚度。gd g0d 0放置云母片的電容器云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的 7 倍，

3、其擊穿電壓不小于 1000 kV/mm，而空氣僅為 3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。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25200 m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10 ， 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。2被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移變化量為0rx bCCC0d式中 C0=0 rba/ d 為初始電容。電容相對(duì)變化量為CxC0aS 改變，從而得到x 時(shí)，則電容adbxS這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x 呈線性關(guān)系xDd直線位移型電容傳感器原理圖3此時(shí)變換器電容

4、值為：Hh1電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖21h 21( H h) 2 H 2 h( 1 )2 h( 1 )C1n D1n D1n DC01nD1n Dddddd式中：C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即2HC0D1nd可見：此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。電容式傳感器的測(cè)量電路1運(yùn)算放大器由于運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)非常大， 而且輸入阻抗 Zi 很高 , 運(yùn)算放大器的這一特點(diǎn)可以作為電容式傳感器的比較理想的測(cè)量電路。如圖所示。由運(yùn)算放大器工作原理可得：U oCC xU i如果傳感器是一只平板電容，則Cx=S/ d，代入，可得U oU iC Sd式中 “” 號(hào)表示輸出電壓 Uo 的相位與

5、電源電壓反相。 可見運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離 d 成線性關(guān)系。運(yùn)算放大器式電路雖解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題， 注意條件 ：要求 Zi 及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓i 的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。UCxI cxI cbCI i?AU iU o運(yùn)算放大器式電路原理圖2二極管雙 T 交流電橋e 是高頻電源，它提供了幅值為U的對(duì)稱方波， VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R， C1、 C2 為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。V D2BR 2V D1AR 1eC1C2RL(a)R 1R 2R1R2?UI2C2?UC 1I1RLC 1I1RL

6、I 2C2?(b)(c)二極管雙 T 交流電橋當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)， C1=C2。電路工作原理：當(dāng) e 為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、 VD2截止，于是電容 C1 充電，其等效電路如圖（b）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過(guò)電阻 R1，負(fù)載電阻 RL 放電，流過(guò) RL 的電流為 I 1。當(dāng) e 為負(fù)半周時(shí)， VD2導(dǎo)通、 VD1截止，則電容C2 充電，其等效電路如圖（ c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2 通過(guò)電阻 R2，負(fù)載電阻L 放電，流過(guò)L 的電流為I2 。RR電流 I 1=I 2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL 的平均電流為零。若傳感器輸入不為 0，則 C1 C2, I1 I

7、 2, 此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)RL 上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為U oI LRL1TI 2 (t ) dtRLT I 1 (t)0R( R2RL )(RRL )RLUf (C1 C2 )式中 ,f 為電源頻率。當(dāng) RL 已知，式中R(R2RL )(RRL)2RLM (常數(shù))則上式可改寫為U oUfM (C1C2 )可知，輸出電壓 Uo 不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與的電容 C1 和 C2 的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓T 形網(wǎng)絡(luò)中Uo 是電容C1 和 C2 的函數(shù)。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。3調(diào)頻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(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化?？?/p>