傳感器原理及檢測技術(shù)_第4章_電容式傳感器原理及其應(yīng)用-A

1、第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器4.1 4.1 電容式傳感器的工作原理和特性電容式傳感器的工作原理和特性4.2 4.2 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路4.3 4.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用4.4 4.4 電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)改善措施電容式傳感器的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)改善措施4.1 4.1 電容式傳感器的工作原理和特性電容式傳感器的工作原理和特性4.1.1 4.1.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 電容式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電容量的變化，再經(jīng)過測量電路將電容量的變化

2、轉(zhuǎn)換成電信電容量的變化，再經(jīng)過測量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出。號輸出。 電容式傳感器實(shí)際上是一個可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器實(shí)際上是一個可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器工作原理圖電容式傳感器工作原理圖 平板電容器電容量表達(dá)式為：平板電容器電容量表達(dá)式為： 三個參數(shù)都直接影響著電容量的大小。如果三個參數(shù)都直接影響著電容量的大小。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而使另外一個參數(shù)改變，則電容保持其中兩個參數(shù)不變，而使另外一個參數(shù)改變，則電容量就將發(fā)生變化。量就將發(fā)生變化。如果變化的參數(shù)與被測量之間存在一定函數(shù)關(guān)系，那么電如果變化的參數(shù)與被測量之間存在一定函數(shù)關(guān)系，那么電容量的變化可以直接反映被測量

3、的變化情況，再通過測量容量的變化可以直接反映被測量的變化情況，再通過測量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，就可以達(dá)到測量的電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，就可以達(dá)到測量的目的；目的；電容式傳感器通?？梢苑譃槿N類型：改變極板面積的變電容式傳感器通?？梢苑譃槿N類型：改變極板面積的變面積式；改變極板距離的變間隙式；改變介電常數(shù)的變介面積式；改變極板距離的變間隙式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。電常數(shù)式。 4.1.2 4.1.2 類型與結(jié)構(gòu)形式及特性類型與結(jié)構(gòu)形式及特性（1 1）變面積型（線位移）變面積型（線位移） 常用的線位移變面積型電容式傳感器可分為平面線位移型和常用的線位移變面積型電容式傳感

4、器可分為平面線位移型和柱面線位移型兩種結(jié)構(gòu)。柱面線位移型兩種結(jié)構(gòu)。 對于平板狀結(jié)構(gòu)，在圖4-5（a）中，兩極板有效覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為： 式中， ，為初始電容值。對于柱狀結(jié)構(gòu)，在圖4-5（b）中，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為： 式中， ，為初始電容值。 dabC0)/ln(200rRhC（2 2）變面積（）變面積（角位移型角位移型 ） 角位移型是變面積式電容傳感器的派生形式，其派生形式種類較多，如圖角位移型是變面積式電容傳感器的派生形式，其派生形式種類較多，如圖所示。所示。（a）角位移型；（）角位移型；（b）齒形極板型；（）齒形極板型；（c）圓筒型；（）

5、圓筒型；（d）扇型）扇型變面積式電容傳感器的派生型變面積式電容傳感器的派生型 在前面圖在前面圖a中，當(dāng)動極板有一個角位移中，當(dāng)動極板有一個角位移 時，它與時，它與定極板之間的有效覆蓋面積就會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電定極板之間的有效覆蓋面積就會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，電容值可表示為：容量的變化，電容值可表示為： （2 2）變級距（間隙）式電容傳感器）變級距（間隙）式電容傳感器 當(dāng)電容式傳感器的面積和介電常數(shù)固定不變，只改變極當(dāng)電容式傳感器的面積和介電常數(shù)固定不變，只改變極板間距離時，稱為變間隙式電容傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖所板間距離時，稱為變間隙式電容傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。圖中，活動極板

6、與被測對象相連。示。圖中，活動極板與被測對象相連。當(dāng)活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，電容量隨著兩當(dāng)活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，電容量隨著兩極板間的距離的變化而變化，當(dāng)活動極板移動后，其電容量極板間的距離的變化而變化，當(dāng)活動極板移動后，其電容量為：為：這類傳感器一般用來對微小位移量進(jìn)行測量，正常工作在微這類傳感器一般用來對微小位移量進(jìn)行測量，正常工作在微米到幾毫米的線位移。同時，變間隙式電容傳感器要提高靈米到幾毫米的線位移。同時，變間隙式電容傳感器要提高靈敏度，應(yīng)減小極板間的初始間距。敏度，應(yīng)減小極板間的初始間距。為了改善這種情況，一般是在極板間放置云母、塑料膜等介為了改善這種情

7、況，一般是在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)較高的介質(zhì)。電常數(shù)較高的介質(zhì)。 （3 3）變介電常數(shù)式電容傳感器）變介電常數(shù)式電容傳感器 根據(jù)前面的分析可知，介質(zhì)的介電常數(shù)也是影響電容式根據(jù)前面的分析可知，介質(zhì)的介電常數(shù)也是影響電容式傳感器電容量的一個因素。通常情況下，不同介質(zhì)的介電常傳感器電容量的一個因素。通常情況下，不同介質(zhì)的介電常數(shù)各不相同。數(shù)各不相同。幾種常見材料的介電常數(shù)幾種常見材料的介電常數(shù)當(dāng)電容式傳感器的電介質(zhì)改變時，其介電常數(shù)變化，也會引當(dāng)電容式傳感器的電介質(zhì)改變時，其介電常數(shù)變化，也會引起電容量發(fā)生變化。起電容量發(fā)生變化。變介電常數(shù)式電容傳感器就是通過介質(zhì)的改變來實(shí)現(xiàn)對被測變介電

8、常數(shù)式電容傳感器就是通過介質(zhì)的改變來實(shí)現(xiàn)對被測量的檢測，并通過傳感器的電容量的變化反映出來。它通常量的檢測，并通過傳感器的電容量的變化反映出來。它通?？梢苑譃橹胶推桨迨絻煞N，如圖所示?？梢苑譃橹胶推桨迨絻煞N，如圖所示。（a）柱式）柱式 （b）平板）平板式式變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器的兩極板間若存在導(dǎo)電物質(zhì)，還應(yīng)變介電常數(shù)式電容傳感器的兩極板間若存在導(dǎo)電物質(zhì)，還應(yīng)該在極板表面涂上絕緣層，防止極板短路，如涂上聚四氟乙該在極板表面涂上絕緣層，防止極板短路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。烯薄膜。變介電常數(shù)式電容傳感器除了可以測量液位和位移之外，還變介電常數(shù)式電容

9、傳感器除了可以測量液位和位移之外，還可以用于測量電介質(zhì)的厚度、物位，并可以根據(jù)極板間介質(zhì)可以用于測量電介質(zhì)的厚度、物位，并可以根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量的變化而變化來測量溫度、的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量的變化而變化來測量溫度、濕度、容量等參數(shù)。濕度、容量等參數(shù)。(a)測介質(zhì)厚度；測介質(zhì)厚度；(b)測量位移；測量位移；(c)測量液位；測量液位；(d)測溫度、濕度測溫度、濕度常見變介電常數(shù)式電容傳感器常見變介電常數(shù)式電容傳感器4.2 4.2 電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路 電容式傳感器輸出電容量以及電容變化量都非常微小，這樣電容式傳感器輸出電容量以及電容變化

10、量都非常微小，這樣微小的電容量目前還不能直接被顯示儀表所顯示，無法由記微小的電容量目前還不能直接被顯示儀表所顯示，無法由記錄儀進(jìn)行記錄，亦不便于傳輸。錄儀進(jìn)行記錄，亦不便于傳輸。 借助測量電路檢出微小的電容變化量，并轉(zhuǎn)換成與其成正比借助測量電路檢出微小的電容變化量，并轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或者頻率信號，才能進(jìn)行顯示、記錄和傳輸。的電壓、電流或者頻率信號，才能進(jìn)行顯示、記錄和傳輸。 用于電容式傳感器的測量電路很多，常見的電路有：普通交用于電容式傳感器的測量電路很多，常見的電路有：普通交流電橋、變壓器電橋、雙流電橋、變壓器電橋、雙T T形電橋電路、緊耦合電感臂電橋、形電橋電路、緊耦合電感臂電

11、橋、運(yùn)算放大器式測量電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度調(diào)制電路等。運(yùn)算放大器式測量電路、調(diào)頻電路、脈沖寬度調(diào)制電路等。 （1 1） 普通交流電橋電路普通交流電橋電路 普通交流電橋測量電路如圖所示，普通交流電橋測量電路如圖所示， 為傳感器電容，為傳感器電容， 為等為等 效配接阻抗，效配接阻抗， 和和 分別為固定電容和固定阻抗。分別為固定電容和固定阻抗。xCZ0CZ傳感器工作前，先將電橋初始狀態(tài)調(diào)至平衡。當(dāng)傳感器工作傳感器工作前，先將電橋初始狀態(tài)調(diào)至平衡。當(dāng)傳感器工作時，電容時，電容 發(fā)生變化，電橋失去平衡，從而輸出交流電壓信發(fā)生變化，電橋失去平衡，從而輸出交流電壓信號。號。此信號先經(jīng)過交流放大器將電壓進(jìn)行

12、放大，再經(jīng)過相敏檢波此信號先經(jīng)過交流放大器將電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)過相敏檢波器和低通濾波器檢出直流電壓、并濾掉交流分量，最后得到器和低通濾波器檢出直流電壓、并濾掉交流分量，最后得到直流電壓輸出信號，它的幅值隨著電容的變化而變化。直流電壓輸出信號，它的幅值隨著電容的變化而變化。電橋的輸出電壓為：電橋的輸出電壓為：xC（2 2）變壓器電橋電路）變壓器電橋電路 電容式傳感器接入變壓器電橋測量電路如圖所示，它電容式傳感器接入變壓器電橋測量電路如圖所示，它可分為單臂接法和差動接法兩種?？煞譃閱伪劢臃ê筒顒咏臃▋煞N。（a）單臂接法）單臂接法 （b）差動接法）差動接法 電橋的單臂接法電橋的單臂接法圖圖a a所示為單臂接法的變壓器橋式測量電路，高頻電源經(jīng)變壓所示為單臂接法的變壓器橋式測量電路，高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個對角線上，電容器接到電容橋的一個對角線上，電容 構(gòu)成電構(gòu)成電橋的四個臂，其中橋的四個臂，其中 為電容傳感器。為電容傳感器。當(dāng)傳感器未工作時，交流電橋處于平衡狀態(tài)，有：當(dāng)傳感器未工作時，交流電橋處于平衡狀態(tài)，有： 此時，電橋輸出電壓此時，電橋輸出電壓 。 當(dāng)當(dāng) 改變時，改變時， ，電橋有輸出電壓，從而可測得電容，電橋有輸出電壓，從而可測得電容的變化值。的變化值。xC0