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《《检测技术》-01-4-电容式传感器-修订.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、1.4电容式传感器1.4.1工作原理与类型1.4.2转换电路1.4.3性能、特点及设计要点1.4.4电容传感器应用1.4.5电容式集成传感器1.4.1工作原理和类型定义：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。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,其电容量为一、原理式中: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;S——两平行板所覆盖的面积;——两平行板之间的距离。当被测参数变化使得式中的S,ε或发生变化时,电
2、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。二、类型:1变极距（间距）型电容传感器当传感器的ε和S为常数,初始极距为时,可知其初始电容量C0为若电容器极板间距因被测量变化而变化时，则有原理非线性，实际中作成差动式来改变其非线性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。2.变面积
3、型电容式传感器圆柱形电容器的电容量当两圆筒相对移动时，电容变化量为具有良好线性r1r2l同心圆筒形电容器变介质型电容传感器有较多的结构型式,可以用来测量纸张,绝缘薄膜等的厚度,也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。3.变介电常数型电容式传感器3.变介电常数型电容式传感器根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器（并联）此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。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
4、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。1.4.2转换电路转换电路电容转换电路有:调频电路运算放大器式电路二极管双T型交流电桥脉冲宽度调制电路等实现将微小的电容变化转换为电压或频率等信号电容式传感器等效电路一、调频测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量,用以判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正,因此加入鉴频器,将频率的变化转换为振幅的变
5、化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图所示。调频振荡器的振荡频率为式中:L——振荡回路的电感;C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0±ΔC。其中,C1为振荡回路固有电容;C2为传感器引线分布电容;C0±ΔC为传感器的电容。当被测信号为0时,ΔC=0,则C=C1+C2+C0,所以振荡器有一个固有频率f0,f0=当被测信号不为0时,ΔC≠0,振荡器频率有相应变化,此时频率为调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯,抗干扰能力强
6、,可以发送、接收以实现遥测遥控。二、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。其中另两个臂是紧耦合，电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性。电桥电路三运算放大器式电路：要求熟练掌握将电容传感器接于放大器反馈回路，输入电路接固定电容。构成反相放大器。能克服变极距型电容式传感器的非线性。则代入上式得式中“-”号表示输出电压与电源电压相反。如果传感器是一只平板电容运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。为保证仪器精度,还要求电
7、源电压的幅值和固定电容C值稳定。1.4.3主要性能、特点和设计要点一、主要性能（一）静态灵敏度变极距型电容传感器由得由于将上式展成泰勒级数得圆柱型变面积电容传感器由得差动变面积电容传感器结论：差动式比单组式的灵敏度提高一倍（二）非线性变极距型因采用差动形式得：结论：变面积和变介质型电容传感器比变极距型电容传感器的线性度好求差动形平板电容器的非线性误差在差动式平板电容器中,当动极板位移Δd时,电容器C1的间隙d1变为d0-Δd,电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则在Δd/d0《1时,则按级数展开:电容值总的变化量为ΔC=C1-C2=C
8、0电容值相对变化量为如果只考虑式中的线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差δ近似为对于单组式变极距型平板电容传感器电容的相对变化量为当时，则上式可按级数展开，故得如果考虑
