傳感器與檢測技術第四講1

1、 第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器概述電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的類型及特性電容式傳感的測量電路電容式傳感器的應用概述電容式傳感器是被測量轉換為電容量變化的一種傳感器，它結構簡單、靈敏度高，動態(tài)響應特性好、適應性強、抗過載能力大、價格便宜，一般可用于測量壓力、力、位移、振動、液位等。 容易實現(xiàn)非接觸測量但其有泄露電阻和非線性。電容式傳感器的工作原理設兩極板相互覆蓋的有效面積為A，兩極板間的距離為d，極板間介質的介電常數(shù)為，在忽略極板邊緣影響的條件下，平板電容器的電容C為：電容式傳感器的類型及特性變面積式電容傳感器變間隙式電容傳感器變介電常數(shù)傳感器電容式傳感器分為三種：改變極板面積的變面

2、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)型變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器：下圖為一直線位移型電容式傳感器，當動極板移動x 后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容也隨之發(fā)生了變化，其值為：下圖是變面積式傳感器的幾種派生形式圖a是角位移電容式傳感器，動片有一角位移時，電容為圖b極板采用了齒形板，其目的是為了增加遮蓋面積，提高靈敏度。變介電常數(shù)型電容傳感器當電容式傳感器中的電介質改變時，其介電常數(shù)變化，從而引起電容量發(fā)生變化，下圖為介質面積變化的電容式傳感器。結構形式：平板形圓柱形變間隙式電容式傳感器（一）原理：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。當活動板因被測參數(shù)的必變而引起移動時，兩極板

3、間的距離d發(fā)生變化，從而改變兩極板之間的電容C，設極板面積為A，其靜態(tài)電容為C0=A/d，當活動極板移動x時，其電容量為：所以只有當xd時，才可認為是近似線性關系。要提高靈敏度，應減小起始間隙d，但d過小，容易引起擊穿，要求加工精度高，所以一般是在極板之間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質來改善。或采用差動式結構。問題：對于變間隙型電容傳感器，由于它的靈敏度 ，要想提高傳感器的靈敏度，可以采取什么辦法？（在不改變、S的前提下），同時這種辦法還對改善傳感器的什么特性有幫助？（二）結構線位移型角位移型差動式電容傳感器單組式傳感器的輸出特性差動式電容傳感器的輸出特性（以變間隙型為例進行分析）結論：差

4、動式結構可以大大地減小傳感器的非線性誤差；可以使傳感器的靈敏度提高一倍；把差動式結構傳感器接入橋路中，可以改善由溫度等環(huán)境影響造成的誤差。差動式電容傳感器電容式傳感器的測量電路用于電容式傳感器的測量電路有： 電橋電路、調頻電路、雙T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調寬電路、諧振電路。普通交流電橋這種測量電路要求提供幅度和頻率很穩(wěn)定的交流電源，電橋放大器的輸入阻抗很高、一般要求交流電源的頻率為被測信號最高頻率的510倍變壓器電橋當負載阻抗為無窮大時，電橋的輸出電壓為電容電橋的主要特點有： 高頻交流正弦波供電；電橋輸出調幅波，要求其電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；通常處于不平衡工作狀態(tài)

5、，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應采用自動平衡電橋；輸出阻抗很高(一般達幾兆歐至幾十兆歐)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。 調頻電路：分為 直放式調頻 外差式調頻直放式調頻外差式調頻利用調頻系統(tǒng)作為電容傳感器的測量電路的優(yōu)點：抗干擾能力強；特性穩(wěn)定；利用 分離出來的振幅變化的測量信號，可以取得高電平的直流信號（伏特級）；由于是頻率輸出，輸出信號為數(shù)字信號，因此可直接用數(shù)字儀表或計算機接口輸出 。缺點:受溫度和電纜電容的影響大。運算放大器式測量電路該電路的最大特點是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性。 雙T電橋電路其特點為：信

6、號源、負載、傳感器電容和平衡電容有一個公共接地點。二極管V1的V2工作在伏安特性的線性段。輸出電壓較高電路的靈敏度與電源頻率有關，因此電源頻率需要穩(wěn)定。可以用作動態(tài)測量。雙T電橋電路的特點是：線路簡單，可全部放在探頭內，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，而與電容無關，克服了電容式傳感器高內阻的缺點；適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。電容式傳感器的應用電容式位移傳感器電容式壓力傳感器電容式加速度傳感器電容式液位傳感器電容式荷重傳感器電容式測厚儀電容式位移傳感器1為測桿2為開槽片簧3為固定極筒4為活動極筒電容式壓差傳感器1為金屬膜片（動片）2為玻璃