传感器与检测技术基础 电容式传感器.ppt

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1、第三章电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。S——极板的遮盖面积，单位为m2；ε——极板间介质的介电系数；δ——两平行极板间的距离，单位为m；ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；εr——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，εr≈1。3.1

2、电容式传感器的工作原理及特性3.1.1基本工作原理平行极板电容器的电容量为：3.1.2电容式传感器的类型和特性1.变极距型电容传感器δ极板1极板2图3-1变极距型电容传感器△δ△Cδδ00CC0图3-2C-δ特性曲线下极板上移：设动片未移动时极板间距为δ0初始电容量为：电容的相对变化量为：略去高次项，得：所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δδ<<δ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。非线性误差与Δδ/δ0有关。其表达式为：传感器的灵敏度为：差动式变间隙型电容传感器动极板上移：初始位置时，动极板定极板定极板C1δ

3、1C2δ2提高一倍减小略去高次项：电容量的相对变化为：非线性误差为：灵敏度：角位移变面积型2.变面积型电容传感器显然：电容Cθ与角位移θ呈线性关系。θ动片定片（a）角位移式板状线位移变面积型线性当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S，电容量C同样随之变化。b（b）直线位移式aδx同心圆筒形线位移电容式传感器D0D1La圆柱形电容式线位移传感器初始电容C0为：当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a时，内外筒间的电容C1为：(a)厚度传感器δx3.变介电常数型电容传感器(a)单组式平板形厚度传感器图3

4、-6厚度传感器的等效电路CC1C2C3设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测物的厚度和它的介电常数分别为δx和ε,则ε1CBld2d1ε2xCA(b)线位移传感器图3-7线位移传感器等效电路CACBC单组式平板形线位移传感器设极板宽度为b，板间无介质ε2时，传感器的电容量为：插入介质ε2后的电容量为：所以该式表明：电容量C与位移x成线性关系。(c)液位传感器2r22r1hhx图3-8液位传感器的等效电路C2C1C圆筒式液位传感器其中例3-1某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也

5、是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当传感器用在该储存灌内时的灵敏度。解：因为所以同理，当被测液位高度最大，即hx=h=1.2m时传感器的电容量最大。图5-5变面积型电容传感器原理图储存灌的容积为：故传感器的灵敏度为：3.2电容式传感器的测量电路3.2.1电容传感器的等效电路图3-9电容传感器等效电路RP（a）CRLC（b）3.2.2电容传感器的测量电路1.电桥电路图3-10电容传感器构成的交流电桥UCr1C（a）RRUSCCr1R（b）RCr2USCU（c）US

6、CUCr1Cr2CC（d）UCr1Cr2USCLL图3-10电容传感器构成的交流电桥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，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。图3-11变压器式交流电桥Cr1Cr2USCU变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移均成线性关系。Cr1Cr2USC图3-12电桥测量电路放大振荡器相敏检波滤波器在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电

7、桥；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大；接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施，2.运算放大器电路图3-13运算放大器测量电路CxC0-AUUSCIiIxICx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据克希霍夫定律，有：如果传感器是一只平行板电容，则：代入（3-20）式得：可见运算放大器的输出电压与动极板的板间

8、距离δ成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。3.二极管双T形电路图3-14二极管双T形电路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若将二极管理想化，则