第5章 電容式傳感器

1、第5章 電容式傳感器5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性5.3 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路5.4 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)5.1.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)平板電容的結(jié)構(gòu)：式中: 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； S 兩平行板所覆蓋的面積； d 兩平行板之間的距離。電容量：dSC（5-1） =0r，其中0為真空介電常數(shù)，r為極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。可測(cè)量：面積、距離和

2、介電常數(shù)。 5.1.2 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器結(jié)構(gòu)：000dSCr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 ：（5-2）電容量與極板間距離的關(guān)系 ：若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有：200000000111 ddddCddCddSCCCr（5-3）若d/d01時(shí)，分母約為1，則：000ddCCC（5-4） 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。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25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移

3、測(cè)量中應(yīng)用最廣。5.1.3 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器結(jié)構(gòu)：平移式變面積型電容傳感器： 當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí)，則電容變化量為 ：dxbCCCr00(5-6) 電容相對(duì)變化量為：axCC0(5-7) 更正：負(fù)號(hào)更正：負(fù)號(hào)電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。角位移式變面積型電容傳感器： 電容式角位移傳感器原理圖 0000dSCr000001CCdSCr當(dāng)=0時(shí)：當(dāng)0時(shí)：傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。5.1.4 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器結(jié)構(gòu)：電容式液位測(cè)量傳感器：設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，

4、此時(shí)變換器電容值為：dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21201001001更正：更正：0電容增量正比于被測(cè)液位高度h。變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。平板式變介質(zhì)型電容式傳感器 表表5-1 電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù) 5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性200000000111 ddddCddCddSCCCr對(duì)變間隙式電容器，因?yàn)椋核裕?001ddddCC(5-13) 當(dāng)|d/d0|1時(shí)，上式可按級(jí)數(shù)展開：

5、 30200001ddddddddCC(5-14) 當(dāng)|d/d0|1時(shí)可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系：00ddCC(5-15) 傳感器的靈敏度為： 001/ddCCK(5-16)考慮式（5-14）中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)：0001ddddCC傳感器的相對(duì)非線性誤差為：%100%100|/|)/(0020dddddd(5-17) (5-18) 對(duì)差動(dòng)式平板電容器，當(dāng)動(dòng)極板位移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d：002001/11/11ddCCddCC(5-19) (5-20) 在d/d01時(shí), 按級(jí)數(shù)展開得 3020002302000111ddddddCCddd

6、dddCC(5-21) (5-22) 電容值總的變化量為 503000212ddddddCCCC(5-23) 電容值相對(duì)變化量為 ：40200012ddddddCC(5-24) 略去高次項(xiàng)，則C/C0與d/d0近似成為如下的線性關(guān)系： 002ddCC(5-25) 如果只考慮式（5-24）中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 則電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差近似為：%100%100|/|2|)/( |220030 dddddd(5-26) 5.3電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 電容式傳感器的等效電路： 2222222)1 ()1 (1111LCCLCCLCLCCCLCCCCjLjCjeee(5-27

7、) 忽略Rs和Rp時(shí)，傳感元件的有效電容Ce為:在這種情況下，電容的實(shí)際相對(duì)變化量為 LCCCCCee21/(5-28) 上式表明電容式傳感器的實(shí)際相對(duì)變化量與傳感器的固有電感L和工作的角頻率有關(guān)。 因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須與標(biāo)定的條件相同。（參見電感式傳感器相應(yīng)部分）5.4 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路5.4.1 調(diào)頻電路和調(diào)幅電路參見上一章調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高的靈敏度， 可以測(cè)量高至0.01m級(jí)位移變化量。調(diào)頻：信號(hào)頻率與電容容量變化有關(guān) 。調(diào)幅；信號(hào)幅度與電容容量變化有關(guān) 。5.4.2 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路原理圖ixoUCCU(5-32) 運(yùn)算放大器的

8、放大倍數(shù)很大，輸入阻抗Zi很高, 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。圖中Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓; Uo是輸出信號(hào)電壓。 由運(yùn)算放大器工作原理可得 ：對(duì)于平板電容傳感器，則Cx=S/d，代入上式，可得（輸出電壓與間隙成正比）： dSCUUio(5-33) 5.4.3 二極管雙T形交流電橋電路原理圖：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，電容C1充電；在隨后出現(xiàn)負(fù)半周時(shí)，電容C1上的電荷通過電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、VD1截止，電容C2充電；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)， C2通過電阻R2，負(fù)載電阻

9、RL放電，流過RL的電流為I2 。當(dāng)差動(dòng)電容C1=C2時(shí)，則電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。 C1C2時(shí)，平均電流不為零。輸出信號(hào)的極性和幅度與差動(dòng)電容有關(guān)。5.4.4 脈沖寬度調(diào)制電路 電路原理圖：uAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后， 可獲得Uo輸出。21211TTTTUUUUBAo（5-38） Ur 參考電平；U1觸發(fā)器輸出高電平；T1、T2Cx1、Cx2充電至Ur時(shí)所需時(shí)間。脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形 5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.5.1 電容式壓力傳感器 差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 外殼p1p2金屬鍍層凹形玻璃膜片過濾器結(jié)構(gòu)：差動(dòng)電容器 測(cè)量：壓差原理：敏感元件：轉(zhuǎn)換元件：膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)， 所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大， 一個(gè)減小。 5.5.2 電容式加速度傳感器 差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質(zhì)量塊；4彈簧；5輸出端；