第5章 電容式傳感器3

1、第五章電容式傳感器 電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量,進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件或裝置，稱為電容式傳感器，它實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。濕度和成分含量等測量之中。用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，其電容C為SSCr0S本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：5.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 5.2 .變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器5.3 變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器5.4 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路5.5 應(yīng)

2、用應(yīng)用5.1 5.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 極板極板1固定不動，極板固定不動，極板2為可動為可動電極電極(動片動片)，當(dāng)動片隨被測量變化，當(dāng)動片隨被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，而移動時，使兩極板間距變化，(C0極距為時的初始電容量極距為時的初始電容量).其電容變化量其電容變化量C為為21 該類型電容式傳感器存在非線該類型電容式傳感器存在非線性，所以實際應(yīng)用中，為了改善性，所以實際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度常作成差動非線性、提高靈敏度常作成差動式結(jié)構(gòu)式結(jié)構(gòu). .CC0C- 特性曲線0CSSSC變極距型電容傳感器FCK變極距型電容傳感器的靈敏度定義為變極距型電容傳感

3、器的靈敏度定義為 變極距型電容傳感器的靈敏度是極板間隙的函數(shù)，變極距型電容傳感器的靈敏度是極板間隙的函數(shù)，間隙越小，靈敏度越高。但間隙越小，容易引起電間隙越小，靈敏度越高。但間隙越小，容易引起電容擊穿。容擊穿。00CC100CK)(000SKr0200SKr000SCr.5.2變面積型電容傳感器原理 1.直線位移式電容傳感器當(dāng)動極板移動x后，面積A就改變，則電容也隨著改變.xaxCCbxCxabCx000)(xbCCCx0b 這種形式的傳感器其電容量這種形式的傳感器其電容量C與水平位移與水平位移x是線性關(guān)系。是線性關(guān)系。axCCCx00baC 02.角位移式電容傳感器角位移式電容傳感器 當(dāng)動極

4、板有一角位移時，就改變了兩極板間的遮蓋的面積。電容量就隨之改變。SC 0當(dāng)=0時當(dāng)不等于零時1-10CSC電容與角位移之間為線性關(guān)系 3.圓柱式電容傳感器 由于平板形傳感器的可動極板稍向板間距方向移動時，將影響測量精度，變面積型電容傳感器常作成圓柱形。)/ln(2120rrlCL為外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋的長度 r2r1llC)r /rln(l2)r /rln() ll (2)r /rln(l2C0121212傳感器其電傳感器其電容量容量C與水與水平位移平位移L是線性關(guān)系是線性關(guān)系。當(dāng)兩筒沒有位移時，電容量為當(dāng)兩筒相對位移L時，電容量為L當(dāng)兩筒相對位移L時，電容變化量為)/ln()(2121rrll

5、C3 3、變介電常數(shù)型電容傳感器、變介電常數(shù)型電容傳感器 變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度厚度、液位液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕，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)材料的度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度溫度、濕度濕度等。等。1.1.單組式平板形厚度傳感器單組式平板形厚度傳感器傳感器的電容量與被測厚度的關(guān)系傳感器的電容量與被測厚度的關(guān)系 根據(jù)等效電路推出：根據(jù)等效電路推出：x厚度傳感器C1C2C3C/ )(0 xxabCbaC02.單組式平板線位移傳感器 a、b、x:固定極板長度和寬度及被測物進入兩

6、極板間的長度 ；1空氣的介電常數(shù) 2:被測物介電常數(shù)。 lcBd1d2CACBCcAxb12BACCC0B/)(xlabC/)(/021AxxxblCCCC1C200/)(/)(xxxxlabblC212121001.ddlxCCCAdd2121211令lxCCC00A傳感器的電容量與位移為線性關(guān)系210ddblC3.液位傳感器 圖 是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。電極引線)/ln()(2)/ln(212012rrhrrhCx h為外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋的高度，為外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋的高度，為被測物的介電常為被測物的介電常數(shù)，數(shù)，hx為被測液面的高度內(nèi)筒外徑為為被測液面

7、的高度內(nèi)筒外徑為r1, 外筒內(nèi)徑為外筒內(nèi)徑為r2。C1CC2h2r12r2hx)/ln(2)/ln()(2121120rrhrrhhCxx可見，傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。 )/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK設(shè)設(shè):xKhAC)/ln()(2)/ln(212012rrhrrhCx例 某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的r 2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)時傳感器的靈敏度(pF/L)解：傳感器電容量C與被測液位高度H成線性關(guān)系。pFmmpFrrHC46

8、.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872 . 146.41ln2120maxH=1.2m時傳感器的電容最大H=0傳感器的電容最小xKhACpFmmpFrrhC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrhCr07.872 . 146.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax儲存罐的容積為：傳感器的靈敏度：LmmhdV6 .2352 . 14)5 . 0(422 將電容式傳感器接入交流電橋的一個臂(另一

9、個臂為固定電容)或兩個相鄰臂，另兩個臂可以是電阻電阻或電容電容或電感電感，也可是變壓器的兩個二次線圈變壓器的兩個二次線圈。而變壓器式電變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。5.4 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路1 1、電橋電路、電橋電路UdEEC1C2U0RRC1C2U0Ud21212210ZZZZEZZZEEEUAjcj1Z11Ajcj1Z22 EU0變壓器式變壓器式和和0201ACAC電容動極板向一端的位移量，近似與壓力F成正比：變極距型電容傳感器F傳感器其輸出與壓力傳感器其輸出與壓力是線性關(guān)系。是線性關(guān)系。KFEU0KF電阻式電阻式2

10、121d221dd0ZZZZ2UZZZU2UU2UUd0KFKF2UUd0傳感器其輸出與壓力傳感器其輸出與壓力差是線性關(guān)系。差是線性關(guān)系。2 2、 運算放大器式電路運算放大器式電路 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-AuoCCxu運算放大器式 電路原理圖 負(fù)號表明輸出與電源電壓反相。顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。uCCuCjCjuxx1)(10/ )( SSuCu0將Cx = 代入上式得/ )S(Cx5. 5 應(yīng)用1.電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖為差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖。 它有兩個固定極板（與

11、殼體絕緣）, 中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊, 此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板（與殼體電連接）。原理：原理：當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時。當(dāng)傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時。兩兩個個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化, 一個增加, 一個減小, 從而使C1、 C2產(chǎn)生大小相等, 符號相反的增量, 此增量正比于被測加速度。2. 電容式液位計電容法測液位原理 兩個同軸的金屬圓筒組成電容，空筒時（介 質(zhì)為空氣）的電容量為：)/ln(200rRLC 當(dāng)一部分容積被液體擠占后，變成兩節(jié)電容并聯(lián)，電容量為： 電容量的變化值： )r/Rln(h)r/Rln()hL(C1022RrLhRr)/(ln2)/(ln2)/(ln)(20100rRLrRhrRhLCCC)/ln()(201rRh電容量的變化值電容量的變化值差動電容3.電容式壓力（差）傳感器電容式壓力（差）傳感器被測壓力p1、p2分別作用于兩個隔離膜片上，通過硅油將壓力傳遞給測量膜片（金屬薄板）。測量膜片作為差動可變電容的活動電極，兩個固定電極是在凹形玻璃上真空蒸發(fā)金屬形成。 在壓差的作