傳感器原理及應(yīng)用(第三版)第3章

傳感器原理及應(yīng)用第三章電容式傳感器3-1電容式傳感器的工作原理最簡(jiǎn)單的電容器：用兩金屬板作電極，中間為某種介質(zhì)，若忽略邊緣效應(yīng)時(shí)(S≥d)

（結(jié)構(gòu)決定電容大?。┢渲校篊——電容量（PF）S——極板間相互覆蓋面積（）D——極板間距離（cm）——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（）——真空的介電常數(shù)（PF/cm）——介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣介質(zhì)上式也可寫(xiě)成：

由式可見(jiàn)，在，S，d三個(gè)參述中，保持兩個(gè)固定，改變另一參數(shù)就可改變電容C值且為單值函數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回根據(jù)改變參數(shù)不同，電容傳感器一般分三種類(lèi)型一、變面積（S）型（多用于檢測(cè)位移）A：角位移式電容傳感器當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，覆蓋面積S發(fā)生變化，電容C隨之改變當(dāng)℃時(shí)S：半圓面積當(dāng)℃時(shí)

電容與角位移呈線(xiàn)性關(guān)系。靈敏度：

上一頁(yè)下一頁(yè)返回B：線(xiàn)位移式電容傳感器當(dāng)時(shí)

S：初始兩板覆蓋面積當(dāng)時(shí)

電容與位移呈線(xiàn)性關(guān)系靈敏度

對(duì)比上述兩種電容傳感器可得如下結(jié)論：增大C0可提高靈敏度（C0：初始電容）；或變化不能太大，否則邊緣效應(yīng)會(huì)引起較大非線(xiàn)性誤差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回二、變介電常數(shù)型（ε）因?yàn)椴煌橘|(zhì)的介電常數(shù)不同，若兩極間介質(zhì)發(fā)生變化，則電容C隨之改變。這種傳感器常用于檢測(cè)液面高度，片狀材料的厚度。A：如下圖所示：在液體中放置2個(gè)同心圓柱狀極板，檢測(cè)液面變化。前提條件是該液體不導(dǎo)電，若液體導(dǎo)電則極板需要絕緣。討論如下：設(shè)：〈1〉液體介質(zhì)常數(shù)；氣體介質(zhì)常數(shù)〈2〉該電容可視為兩個(gè)電容器并聯(lián)即（C1與C2的分界處是液面處）

上一頁(yè)下一頁(yè)返回C1C2極板間兩種介質(zhì)厚度分別是d0（設(shè)為空氣）和d1，則此傳感器的電容等于兩個(gè)電容C0和C1相串聯(lián)，即：結(jié)論：當(dāng)為空氣，d1不變，為待測(cè)時(shí)，即是介電常數(shù)測(cè)量?jī)x；若介電常數(shù)不變時(shí)，d1為待測(cè)時(shí)，即是厚度測(cè)量?jī)x。上一頁(yè)下一頁(yè)返回Flash三、變極板間距（d）型如下圖所示：極板1固定，極板2隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，兩極板間距d0變化，引起電容變化。C隨d變化的函數(shù)關(guān)系為雙曲線(xiàn)，如圖示：設(shè)：動(dòng)片未動(dòng)時(shí)，間距為d0，初始電容為C0，若介質(zhì)是空氣當(dāng)間距減小時(shí)，電容量變?yōu)椋ㄩg距減小，電容增加）上一頁(yè)下一頁(yè)返回非線(xiàn)性靈敏度：上一頁(yè)下一頁(yè)返回電容傳感器實(shí)物：

3-2電容式傳感器的測(cè)量電路一、等效電路：傳感器與測(cè)量電路組成一個(gè)完整的應(yīng)用測(cè)量系統(tǒng)。因此，在傳感器與電路之間起連接作用的導(dǎo)線(xiàn)、接線(xiàn)柱、傳感器自身導(dǎo)體部份的電參數(shù)都被加入到測(cè)量回路中，這些參數(shù)將直接影響測(cè)量的結(jié)果，它們包括如下主要內(nèi)容：C：傳感器電容；Rp：并聯(lián)電阻，包括了電極間直流電阻和氣隙中介質(zhì)損耗的等效電阻（電容器內(nèi)部的）L：串聯(lián)電感，各連線(xiàn)端間總電感（外部的）Rs：串聯(lián)電阻，即引線(xiàn)電阻，接線(xiàn)柱電阻，電極板電阻之和（外部與內(nèi)部）討論如下：對(duì)于交流電路的分析討論通常以阻抗形式表達(dá)，《電路》告知我們：電容和電感都是動(dòng)態(tài)電路元件。上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一頁(yè)下一頁(yè)返回二、測(cè)量電路電容傳感器的電容值一般十分微小（幾皮法至幾十皮法），如此微小的電容值不便直接顯示記錄，也不便傳輸。所以須借助于測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為與之成比例的電壓，電流式頻率信號(hào)，下面介紹幾種典型測(cè)量線(xiàn)路：〈一〉交流不平衡電橋：圖所示為交流不平衡電橋：條件：Z1……電容傳感器阻抗Z2、Z3、Z4…固定值阻抗E……內(nèi)阻為零的電源電壓下面討論輸出端開(kāi)路的情況下，電橋的電壓靈敏度K（均以復(fù)數(shù)形式表達(dá)）。電橋初始平衡條件為：則輸出:上一頁(yè)下一頁(yè)返回與書(shū)中公式差一符號(hào)，對(duì)交流電無(wú)影響。當(dāng)Z1有一變化時(shí)，電橋失去平衡，其輸出為Usc；將平衡條件代入得下式：

令：為傳感器阻抗相對(duì)變化值為橋臂比（同一橋臂內(nèi)）為橋臂系數(shù)則上式改寫(xiě)成：

上一頁(yè)下一頁(yè)返回結(jié)論：在E與一定時(shí)，要使靈敏度盡量高；應(yīng)滿(mǎn)足：（1）橋臂初始阻抗模相等,即，以使最大。（2）橋臂初始阻抗相角盡量大，即盡量大，進(jìn)一部提升值如果或而時(shí)，則，即輸出與輸入同相位，沒(méi)有滯后；如果，時(shí)，，這時(shí)電橋?yàn)橹C振電橋，但橋臂元件必須是純電感和純電容組成。實(shí)際上不可能。由圖3-9b可知：對(duì)于不同的值，角隨變化。當(dāng)時(shí)；時(shí)，趨于最大值，并且。只有時(shí)，值均為零。因此在一般情況下電橋輸出電壓與電源之間總有相位差，即，只有當(dāng)橋臂阻抗模相等或