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第四章電容式傳感器4.1工作原理與類型4.2轉(zhuǎn)換電路4.3性能、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.4電容傳感器應(yīng)用第一節(jié)工作原理和類型

定義：將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。

應(yīng)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕度。

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),其電容量為一、工作原理式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),ε=ε0·εr,其中ε0為真空介電常數(shù),εr為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù);

S——兩平行板所覆蓋的面積;——兩平行板之間的距離。

當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的S,ε或發(fā)生變化時(shí),電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變,而僅改變其中一個(gè)參數(shù),就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化,通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。

二、變極距（間距）型電容傳感器

當(dāng)傳感器的ε和S為常數(shù),初始極距為時(shí),可知其初始電容量C0為若電容器極板間距因被測(cè)量變化而減小時(shí)，則有原理非線性，實(shí)際中采用差動(dòng)式來(lái)改善其非線性。一般變極距式電容傳感器的起始電容在20～100pF之間,極板間距離在25～200μm的范圍內(nèi),最大位移應(yīng)小于間距的1/10,故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。2.變面積型電容式傳感器圓柱形電容器的電容量當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)時(shí)，電容變化量為具有良好線性3.變介電常數(shù)型電容式傳感器根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測(cè)液面高度同心圓柱狀極板，插入液體深度h，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器（并聯(lián)）此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的插入深度（1）無(wú)介質(zhì)插入（2）有介質(zhì)插入兩段電容并聯(lián)可見,電容的變化與電介質(zhì)εr2的移動(dòng)量L呈線性關(guān)系。電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小,這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示,也很難為記錄儀所接受,不便于傳輸。這就必須借助于測(cè)量電路檢出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。第二節(jié)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓或頻率等信號(hào)電容式傳感器等效電路L為電纜線電感和電容器本身電感；r為導(dǎo)線電阻、極板電阻、金屬支架電阻；C0為傳感器本身電容；Cp為引線電纜電容、極板與外界形成的寄生電容；Rg為極間等效漏電阻（漏電損耗、介質(zhì)損耗、極板與外界的漏電損耗）一、調(diào)頻測(cè)量電路

調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí),振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量,用以判斷被測(cè)非電量的大小,但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的,不易校正,因此加入鑒頻器,將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化,經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如圖所示。調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如圖所示。C0±ΔC為傳感器的電容。f0=當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí),振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題。③集成化:將傳感器與測(cè)量電路做在一個(gè)殼體內(nèi)。用來(lái)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往來(lái)用單極式變間隙電容傳感器，使用時(shí)常將被測(cè)物作為傳感器的一個(gè)極板，而另一個(gè)電極板在傳感器內(nèi)。使與其并聯(lián)的寄生電容的影響可忽略。能克服變極距型電容式傳感器的非線性。極板質(zhì)量小且靜態(tài)引力極小，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。①增加傳感器原始電容值:采用減小極板或極筒間的間距，增大工作面積來(lái)增大原始電容量。測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的插入深度這就必須借助于測(cè)量電路檢出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。——兩平行板之間的距離。電容器電容值小，在頻率較低時(shí)，容抗較大，帶負(fù)載能力較差。實(shí)現(xiàn)將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓或頻率等信號(hào)調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為式中:L——振蕩回路的電感;C——振蕩回路的總電容，C=C1+C2+C0±ΔC。其中,C1為振蕩回路固有電容;C2為傳感器引線分布電容;C0±ΔC為傳感器的電容。調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。使與其并聯(lián)的寄生電容的影響可忽略。第一節(jié)工作原理和類型圓柱型變面積電容傳感器運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題。0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。Cp為引線電纜電容、極板與外界形成的寄生電容；因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。C0為傳感器本身電容；因此,電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。①增加傳感器原始電容值:采用減小極板或極筒間的間距，增大工作面積來(lái)增大原始電容量。2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),ε=ε0·εr,其中ε0為真空介電常數(shù),εr為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù);第三節(jié)主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的插入深度當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí),ΔC=0,則C=C1+C2+C0,所以振蕩器有一個(gè)固有頻率f0,f0=

當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí),ΔC≠0,振蕩器頻率有相應(yīng)變化,此時(shí)頻率為

調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高靈敏度,可以測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊,抗干擾能力強(qiáng),可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。二、電橋電路將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂(另一臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)二次線圈。其中另兩個(gè)臂是緊耦合，電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性。電橋電路三、運(yùn)算放大器式電路將電容傳感器接于放大器反饋回路，輸入電路接固定電容。構(gòu)成反相放大器。能克服變極距型電容式傳感器的非線性。則代入上式得式中“—”號(hào)表示輸出電壓與電源電壓相反。如果傳感器是一只平板電容運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)題。為保證儀器精度,還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。第三節(jié)主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)一、主要性能（一）靜態(tài)靈敏度變極距型電容傳感器由得由于將上式展成泰勒級(jí)數(shù)得圓柱型變面積電容傳感器由得差動(dòng)變面積電容傳感器結(jié)論：差動(dòng)式比單組式的靈敏度提高一倍（二）非線性變極距型因采用差動(dòng)形式得：結(jié)論：變面積和變介質(zhì)型電容傳感器比變極距型電容傳感器的線性度好主要特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)一、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、溫度穩(wěn)定性好電容值與電極材料無(wú)關(guān)，自身發(fā)熱極小。2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)能在較惡劣的環(huán)境下可靠工作。3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板質(zhì)量小且靜態(tài)引力極小，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。4、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量在測(cè)量物料料位、物體振動(dòng)振幅等時(shí)，電容器極板與被測(cè)體表面構(gòu)成電容器，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。缺點(diǎn)：1、輸出阻抗高，帶負(fù)載能力差電容器電容值小，在頻率較低時(shí)，容抗較大，帶負(fù)載能力較差。2、寄生電容影響較大在電容器與測(cè)量電路較遠(yuǎn)，需用電纜線連接時(shí)，導(dǎo)線與極板間的寄生電容較大。造成測(cè)量誤差。設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，減小環(huán)境溫度濕度的影響，提高靈敏度，減小非線性，減小寄生電容的影響。2.消除和減小邊緣效應(yīng)①減小極距②電極做得?、鄣任画h(huán)3.減小和消除寄生電容的影響①增加傳感器原始電容值:采用減小極板或極筒間的間距，增大工作面積來(lái)增大原始電容量。使與其并聯(lián)的寄生電容的影響可忽略。②接地和屏蔽:將傳感器動(dòng)極板與屏蔽殼同地，動(dòng)極板與屏蔽殼間的電容為常量。③集成化:將傳感器與測(cè)量電路做在一個(gè)殼體內(nèi)。④采用運(yùn)算放大器法⑤整體屏蔽：將傳感器、電源、轉(zhuǎn)換電路、電纜用一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來(lái)，橋路兩固定阻抗間為接地點(diǎn)，減小外部干擾，消除電纜寄生電容的影響。4.防止和減小外界干擾5.盡量采用差動(dòng)式電容傳感器例題：有一只變極距電容傳感元件，兩極板重疊有效面積為，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對(duì)介電常數(shù)是1.0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。電容傳感器可以直接測(cè)量的非電量為，直線位移、角位移及介質(zhì)的幾何尺寸(或稱物位)，直線位移及角位移可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的。用來(lái)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往來(lái)用單極式變間隙電容傳感器，使用時(shí)常將被測(cè)物作為傳感器的一個(gè)極板，而另一個(gè)電極板在傳感器內(nèi)。第四節(jié)電容式傳感器的應(yīng)用一、電容式位移傳感器是一種單電極的電容式振動(dòng)位移傳感器，它的平面測(cè)端電極1是電容器的一極，通過(guò)電極座5由引線接入電路，另一極是被測(cè)物表面。圓筒式變面積的差動(dòng)電容式位移傳感器二、電容式加速度傳感器1、結(jié)構(gòu)

質(zhì)量塊兩個(gè)經(jīng)過(guò)磨平拋光的平面與兩個(gè)固定極板構(gòu)成差動(dòng)電容傳感器。2、原理當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象在垂直方向上作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí),質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止,而兩個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，此電容增量正比于被測(cè)加速度。三、電容式差壓傳感器一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電容器壓力差使膜片變形產(chǎn)生位移時(shí)，兩個(gè)電容器電容量發(fā)生變化。將差動(dòng)電容器接于橋式電路