第3章 電容傳感器

1、第三章第三章 電容式傳感器電容式傳感器3.1 電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理3.2 電容傳感器的性能改善3.3 電容式傳感器的測量電路3.4 電容式傳感器的應(yīng)用第三章 電容式傳感器 電容式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它不但廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測量，而且還逐步地?cái)U(kuò)大，應(yīng)用于壓力、液面、料面、成分含量等方面的測量。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力大及價(jià)格便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，在自動(dòng)檢測技術(shù)中占有很重要的地位。.電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理電容傳感器的基本原理 ： 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應(yīng)

2、, 其電容量為 式中: 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù), =0r, 其中0為真空介電常數(shù), r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù); A兩平行板所覆蓋的面積; d兩平行板之間的距離。 dAc.電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理 電容傳感器的分類： 變間隙式，變面積式，變介電常數(shù)式。圖3-1給出幾種常見的電容傳感器。下面分別介紹這幾種傳感器的結(jié)構(gòu)原理及輸出特性。.電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理。圖3-1 幾種不同電容傳感器的示意圖.電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖3-2 變間隙式電容傳感器示意圖.電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理 圖3-3 加入云母介質(zhì)的電容.電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖3-4 變面積型電容傳感器原理圖3.3電容傳感器的測量電路 電容式傳感器的輸出

3、電容值非常?。ㄍǔ灼しㄖ翈资しǎ?，因此不便直接顯示、記錄，更難以傳輸，為此，需要借助測量電路來檢測這一微小的電容量，并轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓、電流或頻率信號(hào)。測量電路的種類很多，下面介紹常用的幾種測量電路。 3.3電容傳感器的測量電路3.3.1 運(yùn)算放大器式電路 圖3-7所示為基本的運(yùn)算放大器式電路，它由傳感器電容Cx、固定電容C0及運(yùn)算放大器A組成。其中 為電源電壓， 為輸出電壓。 由于集成運(yùn)放開環(huán)增益很高，所以它構(gòu)成的基本運(yùn)算電路均可認(rèn)為是深度負(fù)反饋電路，運(yùn)放兩輸入端之間滿足“虛短”和“虛斷”，根據(jù)這兩個(gè)特點(diǎn)很容易得出下式:sUoU0sxoCj1Cj1UU3.3電容傳感器的測量電路即

4、:將 代入上式可得 :x0soCCUUdSCxdSCUU0so圖3-7 運(yùn)算放大式電路3.3電容傳感器的測量電路3.3.2 電橋電路 圖3-8所示為交流電橋測量電路。圖3-8（a）為單臂接法的交流電橋測量電路，其中電容C1，C2，C3，Cx構(gòu)成電容橋的四臂，Cx為電容傳感器。 高頻電源 經(jīng)變壓器接到電容橋的一個(gè)對(duì)角線上，從橋路的另一個(gè)對(duì)角線取輸出電壓 。 當(dāng)電容式傳感器輸入的被測量x=0，輸出Cx=C時(shí)， 交流電衡，有: sUoU321CCCCx3.3電容傳感器的測量電路.圖3-8 電容傳感器的交流電橋3.4電容式傳感器的應(yīng)用 1.1.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 圖3-14是一種典型的差

5、動(dòng)式電容壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，該傳感器主要由一個(gè)活動(dòng)電極、兩個(gè)固定電極和三個(gè)電極的引出線組成。動(dòng)電極為圓形薄金屬膜片，它既是動(dòng)電極，又是壓力的敏感元件；固定電極為兩塊中凹的玻璃圓片，在中凹內(nèi)側(cè)，即相對(duì)金屬膜片側(cè)鍍上具有良好導(dǎo)電性能的金屬層。 電容式壓力傳感器的工作原理為：當(dāng)被測壓力（或壓差）作用于測量膜片（電容器的動(dòng)片）而產(chǎn)生位移時(shí)，電容器的電容量也隨之發(fā)生變化，經(jīng)過測量電路，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流的變化。3.4電容式傳感器的應(yīng)用.圖3-14 差動(dòng)式電容壓力傳感器3.4電容式傳感器的應(yīng)用 2 2電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖3-15是一種空氣阻尼的電容式加速度計(jì)。該傳感器有兩個(gè)固定極板

6、，極板中間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個(gè)端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動(dòng)極板。當(dāng)傳感器測量垂直方向上的直線加速度時(shí)，質(zhì)量塊在絕對(duì)空間中相對(duì)靜止，而兩個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，此位移大小正比于被測加速度，使C1，C2中一個(gè)增大，一個(gè)減小。 用于汽車安全氣囊 導(dǎo)彈或炸彈的延時(shí)起爆3.4電容式傳感器的應(yīng)用.圖3-15 電容式加速度傳感器3.4電容式傳感器的應(yīng)用 3 3電容式液位傳感器電容式液位傳感器 電容式液位傳感器是將被測介質(zhì)液面變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種介質(zhì)變化型電容式傳感器。 圖3-16（a）是用于被測介質(zhì)是非導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)的電容式傳感器。當(dāng)被測液面變化時(shí)，兩電極間的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化。 圖3-16（b）適用于測量導(dǎo)電液體的液位。液面變化時(shí)相當(dāng)于外電極的面積在改變，這是一種變面積型電容傳感器。3.4電容式傳感器的應(yīng)用. 圖3-16 電容液位傳感器3.4電容式傳感器的應(yīng)用 4.4.電容式料位傳感器電容式料位傳感器 圖 3 - 17 是電容式料位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 測定電極安裝在罐的頂部,這樣在罐壁和測定電極之間就形成了一個(gè)電容器。 當(dāng)罐內(nèi)放入被測物料時(shí), 由于被測物料介電常數(shù)的影響, 傳感器的電容量將發(fā)生變化, 電容量變化的大小與被測物料在罐內(nèi)高度有關(guān), 且成比例變化。檢測出這種電容量的變化就