電容式傳感器課件

第4章電容式傳感器

4.1電容式傳感器工作原理及分類(lèi)4.2測(cè)量電路4.3電容式傳感器的應(yīng)用1F=106μF=109nF=1012pF2021/5/91

電容式傳感器是將被測(cè)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(jiǎn)單、分辨率高、抗過(guò)載能力大、動(dòng)態(tài)特性好；且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。電容式傳感器可用于測(cè)量壓力、位移、振動(dòng)、液位、厚度。2021/5/924.1電容式傳感器工作原理

C=ε.S/d=ε0.εr.S/dε=ε0.εrC為電容ε0=8.85×10-12F/mεr為相對(duì)介電常數(shù)

用S為極板相對(duì)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(lèi)，其中變面積式可分為直線(xiàn)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。

2021/5/934.1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(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱(chēng)為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱(chēng)為動(dòng)極板。

1．直線(xiàn)位移式

電容的相對(duì)變化量和靈敏度為為提高測(cè)量精度，也常用如圖4.3所示的結(jié)構(gòu)形式，以減少動(dòng)極板與定極板之間的相對(duì)極距可能變化而引起的測(cè)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(dòng)變面積式電容傳感器原理圖2021/5/944.1電容式傳感器工作原理

2．角位移式

當(dāng)被測(cè)的變化量使動(dòng)極板有一角位移q

時(shí)，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(dòng)角位移式電容傳感器原理圖在實(shí)際應(yīng)用中，也采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度。角位移測(cè)量用的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。

2021/5/954.1.2變間隙式電容傳感器

基本結(jié)構(gòu)電容的相對(duì)變化量和靈敏度分別為

差動(dòng)式電容的相對(duì)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(dòng)式傳感器的非線(xiàn)性誤差減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且提高了測(cè)量靈敏度，所以在實(shí)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(dòng)結(jié)構(gòu)的變間隙電容傳感器2021/5/964.1.3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(xiàn)性關(guān)系。若被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)ex已知，測(cè)出輸出電容C的值，可求出待測(cè)材料的厚度x。若厚度x已知，測(cè)出輸出電容C的值，也可求出待測(cè)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(cè)量?jī)x。圖4.8平面式測(cè)位移傳感器圖4.9測(cè)厚儀2021/5/97

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(gè)同心圓筒，分別作為電容的兩個(gè)極。

如圖4.11所示為一種電容式液面計(jì)的原理圖。在介電常數(shù)為ex的被測(cè)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(méi)電極的高度就是被測(cè)量x。液面計(jì)的輸出電容C與液面高度x成線(xiàn)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(jì)2021/5/984.2測(cè)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(dòng)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2021/5/99

2．運(yùn)算放大器式測(cè)量電路理想運(yùn)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(yùn)算放大器的最大特點(diǎn)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(xiàn)性特性。圖4.14運(yùn)算放大器式測(cè)量電路

圖4.15調(diào)零電路2021/5/9104.2.2差動(dòng)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(guò)低頻濾波器得到對(duì)應(yīng)于被測(cè)量變化的直流信號(hào)。圖4.16差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路2021/5/911（a）C1=C2（b）C1>C2圖4.17電路各點(diǎn)的充放電波形當(dāng)電阻R1=R2

=R

時(shí)，則有由此可知，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制型電路，其輸出電壓與電容變化成線(xiàn)性關(guān)系。2021/5/9124.2.3調(diào)頻電路

1．載波頻率改變的調(diào)幅調(diào)頻式該測(cè)量電路把電容式傳感器與一個(gè)電感元件配合，構(gòu)成一個(gè)振蕩器諧振電路。當(dāng)傳感器工作時(shí)，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(guò)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(chēng)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2021/5/9134.3實(shí)際中存在的問(wèn)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(dòng)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在測(cè)量電路中加以補(bǔ)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(chǎng)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(cè)精度要求很高時(shí)，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(gè)同心圓環(huán)，致使極板周邊極間電場(chǎng)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(xiàn)長(zhǎng)度。

（2）屏蔽。2021/5/9144.4電容式傳感器的應(yīng)用

1．電容式位移傳感器采用了差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)測(cè)量桿隨被測(cè)位移運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)活動(dòng)電極位移時(shí)，導(dǎo)致活動(dòng)電極與兩個(gè)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

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2．電容式壓力傳感器該壓力傳感器可用于測(cè)量微小壓差。

3．電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀的關(guān)鍵部件之一就是電容測(cè)厚傳感器。在板材軋制過(guò)程中由它監(jiān)測(cè)金屬板材的厚度變化情況。圖4.21差動(dòng)電容式壓力傳感器原理圖

圖4.22電容測(cè)厚儀工作原理2021/5/916小結(jié)

變電容式傳感器是將被測(cè)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(jiǎn)單、分辨率高、抗過(guò)載能力大、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。只要固定平行板電容器3個(gè)參量d、S、e中的兩個(gè)，只要另外一個(gè)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(lèi)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