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1、5.1电容式传感器的工作原理和结构5.2电容式传感器的测量电路5.4电容式传感器的应用第5章电容式传感器返回主目录由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为式中:ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数,εr为极板间介质相对介电常数;A——两平行板所覆盖的面积;d——两平行板之间的距离。5.1电容式传感器的工作原理和类型当被测参数变化使得式(4-1)中的A,d或ε发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中
2、一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。因此,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。一、变极距型电容传感器图4-1为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数,初始极距为d0时,由式(4-1)可知其初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有C1=C0+ΔC=由式(4-3)可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是如图4-2所示双曲线关系。此时C1与Δd近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感
3、器只有在Δd/d0很小时,才有近似的线性输出。另外,由式(4-4)可以看出,在d0较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为此,极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质(如图4-3所示),此时电容C变为(4-5)式中:εg——云母的相对介电常数,εg=7;ε0——空气的介电常数,ε0=1;d0——空气隙厚度;dg——云母片的厚度。云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/mm,而空气的仅为
4、3kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。同时,式(4-5)中的(dg/ε0εg)项是恒定值,它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间,极板间距离在25~200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。二、变面积型电容式传感器图4-4是变面积型电容传感器原理结构示意图。图4-1变面积型电容传感器原理图C=C0-C=式中C0=ε0εrb0L0/d0为初始电容。电容相对变化量为很明显,这种形式的传感器
5、其电容量C与水平位移Δx是线性关系。图4-4是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时,与定极板间的有效覆盖面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时,则图5-5电容式角位移传感器原理图C0=ε0εrA0d0(4-8)式中:εr——介质相对介电常数;d0——两极板间距离;A0——两极板间初始覆盖面积。当θ≠0时,则C1=ε0εrA0(4-9)从式(4-9)可以看出,传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。三、变介质型电容式传感器图5-6所示的是一种常用的结构形式。图中两平
6、行电极固定不动,极距为d0,相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中,从而改变两种介质的极板覆盖面积。图5-6变介质型电容式传感器传感器总电容量C为式中:L0,b0——极板长度和宽度;L——第二种介质进入极板间的长度。若电介质εr1=1,当L=0时,传感器初始电容C0=ε0εr1L0b0/d0。当介质εr2进入极间L后,引起电容的相对变化为可见,电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。图5-7是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1,液面高
7、度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,则此时变换器电容值为图5.7电容式液位变换器结构原理图式中:ε——空气介电常数;C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,C0=由式(4-10)可见,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。5.2电容式传感器的测量电路电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小,这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示,也很难为记录仪所接受,不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量,并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容
8、转换电路有桥式电路、脉冲宽度调制电路、调频电路、运算放大器电路等。一.桥式电路:图5-8采用差动接法的桥式电路,C1、C2差动电容传感器的两个电容,作为电桥的相邻两个桥臂,电桥的另两个桥臂是两个严格对称的变压器二次绕组(相当于固定电感),电桥的空载输出电压为:当动片位于两定片中间时,d1=d2=d0,C1=C2=εS/d0,电桥平衡,输出为零。当动片上移X时,当动片下移X时,同理可得:可见输出与位移呈线性关系。二、脉冲宽度调制