现代检测技术电容式传感器

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1、二、输入一输出特性五、电容传感器的一些特殊问题f11■电容器是电子技术的三大类无源元件（电阻、电感和电容）之一，科用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件称为电容式传感器。电容式传感器已在位移、压力、厚读、物位、補官、菠动、無価、流量及麻分分林的测量等方面得到了广泛的应用。电容式传感器作为频响宽、应用广、非接口t测量的一种传感器，是很有发展前途的。czo式中：s两个极板相互覆盖的面积；d——两个极板间的距离；氏三DE——极板间介质的介电常数（空气或真空的介电常数为勺=8.85x10~12F/m）典型

2、的电容式传感器中的电容通常做成平行平面形或平j行曲面形。（以平行平面电容器为例分析，当极板的集合尺寸（长和宽%远大于极间距离和介质均匀条件下（此时电场的边缘效应可忽J略），平行平面电容器电容为c_£sdJ由上式可知，电容量取决于s、d、£三个参数，如果让其中一个参数随披测量变化而变化，保持其余两个参数不变,这样就能使电容量与被测量有单值的函数关系，从而把被测量变化转换为电容器电容的变化,本工作原理。这就是电容式传感器的基按被测量所改变的电容器的参数来分，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;按被测位移分,可

3、分为甬位移式和线位移式；按组成方式可分为单一式和差动式,按电容极板形状分,与平板电容和筒电容或平行平面与平行曲面型。二、输入-输出特性⑴变极距型电容式传感器①单一式设初始时，电容值为CQ=es/d.图7-1单一式变极距型电容式传感器当被测量变化使动极板上移时，电容值为①差动式""tffnT/nff/ffftffiftfiff图7-2差动式变极距型电容式传感器当动极板位移时,d]=d0-Add2=dQ+AJ利用上式:£Sd°—£S八1A"、〃o（l-丁）Ad“0两个电容分别为G=c°/（i—竽）C2=c°/（i+¥）as由上面两式

4、可得，差动式变极距型电容传感器的差动电容公式为G+C2Add°①具有固体介质的变极距型电容式传感器图7-3具有固体介质的变极距型电容式传感器电容器的初始电容为如果气隙/减小A血了，电容变为C+AC二di—C将增大AC，(2)变面积型电容式传感器1.线位移式变面积型：①单一式£b・1°初始电容Cod在保持d不变的前提下，动极板沿长度方向平移后，则电容f量变为②差动式图7-5差动式线位移式变面积型电容式传感器Cl=Co(1-—)%2•角位移式变面积型（差动结构）①扇形结构初始时CAC。=CBC°AC。厂ss£7i（R2-r2）%s

5、（R2-r2）Co=—=0dd动极板转动Aa后，差动电容分别为£（R2-r）2d（6Zq_Aq）—C（）（l_所以差动式变面积型电容传感器的差动电容公式为②柱面形结构图7-7柱面形结构角位移式变面积型电容式传感器初始吋cACo=cBCo=c0dr动极板转动Aa后，差动电容分别为q+c2Aa%⑶变介质型（差动式）两电容极板之间的介质变化引起电容变化，常见有两种情况：一是两电容极板之间只有一种介质，介质的介电常数随被测非电量（如温度、湿度）而变化，电容式温度传感器和电容式湿度传感器就属于这种情况；二是两电容极板之间有两种介质，两介质

6、的位置或厚度变化，电容式位移传感器、1电容式厚度传感器、电容式物（液）位传感器就属于这种情'1.电容式位移传感器517-8电容式位移传感器初始时固体介质居中，有所以，当固体介质偏离中间位置△/时，差动电容公式为C]_C?2_£[2A/1-£r2AZG+C?2££I1+£rI2.电容液面计图7・9电容液面计1、2圆柱状极板气体介质间的电容量C2和液体介质间的电容量Cl,分别为:27T（l£）^2C1=2加］©总电容量为两电容并联，由上面两式得:C+c2加］£］*2/r（/_A）£°2加6*2+2加］（®_占2）In-In-In-I

7、n-则上式可写成下列形式：C=A+BL1可见，电容量C与深度L1成比例关系。三、等效电路分析⑴等效电路BO图7・10等效电路⑵引线电感的影响ACAC1~C^~~C^X-c^LC如果改变激励频率或更换连接电缆时须重新进行标定。电容式传感器将位移等非电量转换为电容的变化，为了将电容的变化转换为电压或频率，还须选择适当的接口电路。选）择的基本原则是尽可能使输出电压或频率与被测非电量成线性关系。]1•比例运算法电路00图7・11比例运算法电路若为恒电压激励电路，应用于单一的变面积式电容传感器时，其特点是输岀电压与被测电容Cx成正比u

8、.=-ut幺将c=旳。—AlC。=c0(1-为代入上式中得“0=可见，输出电压与被测位移A/成线性关系。2•电阻平衡臂交流电桥07-12电阻平衡父流电桥3•差动脉冲调宽电路a）原理图图7・13差动脉冲调宽电路JL丰T八4ffk5o'_f巧1■o4•二极管环形