《傳感器技術及應用》第9章 電容傳感器

9.1電容傳感器的原理與結構9.2

電容傳感器的測量電路9.3電容傳感器的應用實例9.4

思考題9.1電容傳感器的原理與結構9.1.1改變遮蓋面積型傳感器圖9-2為改變遮蓋面積型電容傳感器的結構原理圖。當定極板不動，動極板作直線運動或角位移，相應改變了兩極板的相對面積，引起電容器電容量的變化。圖（a）中，假設兩極板原始長度為a0，極板寬度為b，極距為d0，當動極板隨被測物體有一位移x后，兩極板的遮蓋面積減小，此時電容器Cx為:圖9-2改變遮蓋面積型電容傳感器結構原理圖1—動極板；2—定極板；3—外圓筒；4—內圓筒；5—導軌由上式可知：增大b，減小d0，可以提高靈敏度。但要注意，若d0太小，容易引起電容擊穿而短路。應用這種結構的電容傳感器，可以測量直線位移和角位移。傳感器的電容輸出與位移成線性關系，靈敏度為一常數(shù)。由上式可知，電容量Cx與位移x不是線性關系，其靈敏度不為常數(shù):9.2電容傳感器的測量電路電容式傳感器將被測量轉換為電容變化后，需要將電容經(jīng)過轉換電路轉換為電壓、電流或頻率信號。這就需要使用測量轉換電路。下面，介紹常用的電容傳感器的測量轉換電路。9.2.1調頻電路調頻電路將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，其原理圖如圖9-6所示。當電容傳感器電容量Cx發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應的改變，這樣就實現(xiàn)了C/F的變換。振蕩器的頻率由下式?jīng)Q定:

式中，L為振蕩電路的電感；C為振蕩回路總電容。圖9-6調頻電路原理圖9.2.2脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路是利用傳感器電容的充放電原理，使電路輸出脈沖的占空比發(fā)生變化，通過低通濾波器得到相應的直流電壓。脈沖寬度調制電路如圖9-8所示，它由比較器A1,A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和電容充放電回路組成。C1,C2是差動電容傳感器，當Q輸出為高電平時，A點通過R1對C1充電；同時電容C2通過二極管VD2迅速放電，此時G點電位為低電平，直到F點電位高于參考電壓UR時，比較器A1產生脈沖，觸發(fā)器翻轉，A點成為低電平，B點成為高電平，這時重復上述工作直至觸發(fā)器再次翻轉。這樣周而復始，在觸發(fā)器的兩輸出端，各自產生一個寬度受電容C1,C2調制的脈沖波形。當C1=C2時，A,B兩點間的平均電壓為零，若C1>C2，則C1的充電時間大于C2的充電時間，即t1>t2，經(jīng)低通濾波器后，獲得的輸出電壓平均值為:圖9-8脈沖寬度調制電路圖9-10運算放大器式電路9.3電容傳感器的應用實例9.3.1電容料位計電容傳感器是懸掛在料倉里的探頭，利用它對地形成的分布電容來檢測。圖9-11是電容料位計的電路圖。電路分為信號測量電路和控制電路兩部分。利用Cx,C2,C3,C4組成電橋，當C2C4=C3Cx時，電橋平衡。料面增加，Cx隨之增大，電橋失去平衡，按電橋輸出電壓來判斷料面的情況。電橋輸出交流信號，經(jīng)VT2放大后，由VD1檢波變成直流信號，電橋的輸入電壓由VT1和LC回路組成的振蕩器供電，其頻率約為70kHz，幅值約為250mV。圖9-11電容料位計電路圖圖9-12電容式厚度傳感器工作原理方框圖電容式厚度傳感器的優(yōu)點是結構簡單，線性度好，分辨率高。其主要性能：

檢測范圍：200m；

分辨率：0.01m。

9.3.3電容式差壓傳感器圖9-13是電容差壓傳感器結構原理圖。這種傳感器的結構簡單，靈敏度高，響應速度快。高壓和低壓側的液體或氣體對薄膜施加壓力，則薄膜的位移與兩側壓差成比例，同時薄膜與固定電極間的電容發(fā)生變化。利用圖9-14電容差壓傳感器電路，可以得到（4～20）mA的直流輸出信號。差壓與輸出電流間的關系為:式中，Io為輸出電流；CH和CL為高、低壓側的電容值；d0為電極間的初始距離；p為壓差；IC和K為常數(shù)。圖9-13電容差壓傳感器結構原理圖圖9-14電容差壓傳感器電路圖電容差壓傳感器的主要性能指標為：

量程：0-100～0-700mmH2O；0-500～0-3500mmH2O；0-3000～0-21000mmH2O；

精度：±0.2%；

測試溫度：±40℃；

最大壓力：1.4×107Pa。

9.3.5電容式濕度傳感器濕敏電容是利用濕度的變化，影響電容電極間介質的介電常數(shù)，從而改變電容的大小。濕敏電容結構如圖9-16所示。它尺寸小，響應快，線性度好，溫度系數(shù)小，有較好的穩(wěn)定性，廣泛用于各類環(huán)境濕度的測量。圖9-16濕敏電容的結構圖圖9-17是電容式濕度傳感器的測量電路。電路中包括自激振蕩器、脈沖寬度調制電路、F/V變換電路和A/D轉換電路，最終以數(shù)字形式顯示濕度值，圖中ＣMC就是濕敏電容。IC1是由7555時基電路組成的多諧振蕩器，它的振蕩頻率f＝1.443/[(R1+2R2)C1]，約為18ms,它的輸出為IC2提供輸入脈沖。輸入脈沖的下降沿觸發(fā)IC1,IC2由③腳輸出，輸出脈沖的寬度隨輸入脈沖的大小而定，輸入脈沖大，輸出脈沖寬度也大。經(jīng)過分析內部電路，輸出脈沖實際上與濕度成正比。運放濾波器7611是簡單的RC低通濾波器，它將脈沖寬度轉換成平滑的直流電壓輸出，再經(jīng)7106作A/D轉換。這個電路中，7106的內部穩(wěn)壓電源提供IC1,IC2和傳感器的工作電壓。圖9-17電容式濕度傳感器測量電路圖9.4思考題9.1自行設計變截面積式差動電容傳感器的結構，分析工作原理。9.2分析脈沖寬度調制電路的工作原理，畫圖分析t２>t１時的電壓輸出波形。9.3圖9-18是電容式加速度傳感器，試分析其工作原理。9.4平行板電容器如圖9-2（a）所示，極板寬度為4mm，間隙為0.5mm，差動電容傳感器的測量極板間介質為空氣，求其靈敏度。若動極板移動2mm，求其電容變化量。

圖9-18電容式加速度傳感器1,5—定極板；2—殼體；3—彈簧片；4—質量塊；6—絕緣體9.5圖9-19是差動電容傳感器的測量電路，C1,C2是差動電容，Cf1,Cf2,Cf3是濾波電容，其值遠大于C1,C2，E1是恒流源。工作中保證I0,RS為常數(shù)，電路輸出電壓為Uo，分析其測量原理。9.6圖9-20是電容式液位計示意圖。內圓管的外徑為10mm，外圓管