[工学]《自动检测技术及应用》第4章 电容式传感器及其应用

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1、第4章电容式传感器本章学习电容式传感器的工作原理、测量转换电路及其应用。2021/9/171电容式传感器定义：将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。应用：位移、加速度、液位、振动及湿度。2021/9/172§4.1电容式传感器的工作原理及结构形式2021/9/173A——极板相对覆盖面；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数；ε0＝8.854×10-12(F/m)ε——电容极板间介质的介电常数。ε=ε0εrδSε一、工作原理由物理学可知，由两平行板组成的平行板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：dA2021/9/174请思考：上

2、式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？两平行板组成的平行板电容器，电容传感器的基本理想公式为：2021/9/175改变A、d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。2021/9/1761、变面积（A）式电容传感器图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是一个角位移式的结构。极板1的轴由被测物体带动而旋转一个角位移度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。图c是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在

3、外圆筒内作上、下直线运动。2021/9/177可见，增加极板宽度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。此传感器的灵敏度K可用下式求得对于图a平板形位移电容传感器，当动极板移动x后：C0——初始电容值灵敏度为常数线性关系2021/9/178变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。你能否画出变面积式电容传感器的输出特性曲线??2021/9/179当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。2、变极距（d）式电

4、容传感器结构示意图极板1为定极板极板2为动极板2021/9/1710电容量Cx与d不是线性关系，其灵敏度也不是常数。从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？由电容的表达式：2021/9/1711当d0较小时，该种类型的传感器灵敏度较高，微小的位移即可产生较大的电容变化量。实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。故该类传感器只适用于微米数量级的位移测量。结论：2021/9/17123、变介电常数（ε）式电容传感器因为各种介

5、质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数2021/9/1713根据上表，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。请问：在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？2021/9/1714根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度。下图为电容液位计，同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器。根据：输出电容C与液面高度h成线性关系。2021/9/1715当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大，因而电容量增大。反之当液位下降，ε值减小，电容量也

6、减小。所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值。2021/9/17164、差动电容传感器在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。变极距式差动电容器旋转形差动电容器圆柱形差动电容器2021/9/1717如图a)，中间的极板为动极板，上下两块为定极板。当动极板向上移动x距离后，一边的间隙变为d-x，而另一边则为d+x。电容C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增加，而另一个电容量则相应减小。将C1、C2接成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。请思考：我们已经学习了哪些差动形式

7、？2021/9/1718休息一下2021/9/1719§4.2电容式传感器的测量转换电路2021/9/1720转换电路实现将微小的电容变化转换为电压、电流或频率等信号。电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥等。被测非电量电容变化电量电容式传感器转换电路2021/9/1721一、电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。2021/9/1722１、单臂接法的桥式测量电路（图a）电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，CX为电容传

8、感器,交流电桥平衡时有：C1／C2＝C