傳感器知識(shí) 第5章電容式傳感器學(xué)習(xí)資料

第5章電容式傳感器5.1工作原理5.2測(cè)量電路5.3典型應(yīng)用本章知識(shí)要點(diǎn)平板電容的電容量表示。三種電容傳感器的工作原理。變極距式傳感器的靈敏度及非線性誤差分析。電容式傳感器的測(cè)量電路。電容式傳感器概述2、優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過(guò)載能力大及價(jià)格低廉。3、缺點(diǎn)：電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來(lái)一定的局限。4、應(yīng)用：測(cè)量壓力、力、位移、振動(dòng)、液位等參數(shù)。1、變換原理：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。什么是電容器？電容器是由用介質(zhì)（固體、液體或氣體）或真空隔開的兩個(gè)電導(dǎo)體構(gòu)成。電容導(dǎo)體上的電荷量導(dǎo)體之間的電壓差5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε=ε0εr，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr極板間介質(zhì)的相對(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。變極距型變面積型變介電常數(shù)型dAε如圖所示，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：

結(jié)構(gòu)形式如圖所示，給出了一些常見電容式傳感器的原理結(jié)構(gòu)形式。其中圖(a)、(b)為變極距型；圖(c)、(d)、(e)和(f)為變面積型；圖(g)和(h)為變介電常數(shù)型。圖(a)、(b)、(c)、(e)和(f)是線位移傳感器；圖(d)是角位移傳感器；圖(b)和(f)是差動(dòng)式電容傳感器。x5.1.1變面積型電容式傳感器

改變兩極板覆蓋面積，從而改變電容量初始電容動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移Δx時(shí)ΔC與Δx呈線性關(guān)系平板狀電容線位移變面積型補(bǔ)充：圓柱形電容器

圓柱形電容器的兩極板由圓柱形導(dǎo)體A和同軸的圓柱殼導(dǎo)體B組成。當(dāng)l>>RB?RA

時(shí)，電容器的電容為：筒狀電容筒狀電容ΔC與Δx呈線性關(guān)系角位移變面積傳感器角位移θ引起覆蓋面積改變，從而改變電容量。當(dāng)θ=0時(shí)式中：εr——介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；

d0——兩極板間距離；

A0——兩極板間初始覆蓋面積。當(dāng)θ≠0時(shí)ΔC與角位移θ呈線性關(guān)系角位移變面積型5.1.2變介質(zhì)型電容式傳感器

初始電容電容與液位的關(guān)系為：電容增量與液位h呈線性關(guān)系。當(dāng)L=0時(shí)，傳感器的初始電容當(dāng)被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對(duì)變化量為電容變化量與移動(dòng)量L呈線性關(guān)系。變介質(zhì)型電容傳感器主要可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。5.1.3變極距型電容傳感器

d0

－Δd

C+ΔC變極距型電容式傳感器初始電容1、工作原理圖5-3電容量與極板間距離的關(guān)系Δd/d0<<1時(shí)C與Δd近似呈線性關(guān)系d0小則靈敏度高d0過(guò)小，電容器容易被擊穿。采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）式中：εg

——云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；

ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)云母片的介電常數(shù)很高，極板間距可大大減小。極板間距一般在25～200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測(cè)量。當(dāng)|Δd/d0|<<1時(shí)，按級(jí)數(shù)展開2、變極距式電容傳感器的非線性分析當(dāng)|Δd/d0|<<1時(shí)略去高次項(xiàng)電容傳感器的靈敏度為近似的線性關(guān)系如果考慮到二次項(xiàng)，則相對(duì)非線性誤差δ表明：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。

提高靈敏度,減小非線性誤差差動(dòng)式結(jié)構(gòu)在Δd/d0<<1時(shí),按級(jí)數(shù)展開則略去高次項(xiàng)，則：考慮線性項(xiàng)和三次項(xiàng),則相對(duì)非線性誤差δ近似的線性關(guān)系靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善5.2.1調(diào)頻電路

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。加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。5.2電容式傳感器的測(cè)量電路因此，振蕩器固有頻率f0振蕩回路固有電容引線分布電容傳感器電容當(dāng)ΔC≠0時(shí)，

頻率為被測(cè)信號(hào)調(diào)頻信號(hào)鑒頻信號(hào)調(diào)頻電路的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)特性穩(wěn)定高電平直流信號(hào)易于接口5.2.2變壓器式交流電橋若采用變極距式電容傳感器輸出電壓與位移呈線性關(guān)系。5.2.3運(yùn)算放大器式電路

對(duì)于平板電容，Cx=εA/d，得傳感器電容虛地點(diǎn)輸出電壓Uo與極板間距離d成線性關(guān)系5.3.4二極管雙T形交流電橋

高頻電源差動(dòng)電容R1=R2=R二極管雙T形交流電橋雙T電橋電路C1=C2，R1=R2=R，則正、負(fù)半周對(duì)稱正半周：C1充電，C2放電負(fù)半周：C2充電，C1放電傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，

如果C1>C2正半周：C1充電電量增多，C2放電情況不變。輸出正電壓情況不變。負(fù)半周：C2充電情況不變，C1放電電流增大。輸出負(fù)電壓變小。傳感器有輸入時(shí)

如果C1＜C2正半周：C1充電電量不變，C2放電情況增加。輸出正電壓情況變大。負(fù)半周：C2充電電量增加，C1放電電流不變。輸出負(fù)電壓情況不變。若傳感器有輸入，則C1≠C2,I1≠I2,輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為常數(shù)K電源頻率電路的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，不須附加相敏檢波電路。5.3.5脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路圖比較器差動(dòng)電容當(dāng)差動(dòng)電容相等時(shí)，電壓平均值為零。當(dāng)差動(dòng)電容相等時(shí)，電壓平均值為零。當(dāng)差動(dòng)電容不相等時(shí)，平均電壓值不為零。當(dāng)差動(dòng)電容不相等時(shí)，uAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，Uo輸出式中：

U1——觸發(fā)器輸出高電平；

T1、T2——C1、C2充電至Ur時(shí)所需時(shí)間。在變極板距離的情況下可得若差動(dòng)電容C1=C2=C0，即d1=d2=d0時(shí)，Uo=0；

d1、d2分別為C1、C2極板間距離。若C1>C2

，即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,則有若C1<C2

，即d1=d0+Δd,d2=d0-Δd,則有在變面積電容傳感器中，則有說(shuō)明：差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動(dòng)式電容傳感器，并具有線性特性。

若C1>C2

，即A1=A0+ΔA,A2=A0-ΔA,則有若C1<C2

，即A1=A0-ΔA,A2=A0+ΔA,則有5.3典型應(yīng)用5.3.1電容式壓力傳感器差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖原理：膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。5.3.2電容式加速度傳感器差動(dòng)式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

原理：當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(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，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。電容式加速度傳感器的主要特點(diǎn)：頻率響應(yīng)快和量程范圍大，大多采用空氣或其它氣體作阻尼物質(zhì)。5.3.3差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器

電容測(cè)厚傳感器可以用來(lái)對(duì)金屬帶材在軋制過(guò)程中厚度的檢測(cè)，其工作原理是在被測(cè)帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來(lái)成為一個(gè)極，而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1+C2

，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)放大即可由電表指示測(cè)量結(jié)果。

差動(dòng)式電容測(cè)厚儀系統(tǒng)組成框圖被測(cè)帶材如果帶材只是上下波動(dòng)，電容不變；如果帶材的厚度變化使電容變化，電橋?qū)⒃撔盘?hào)變化輸出為電壓，經(jīng)放大、整流，送出處理顯示。加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊汽車氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置濕敏電容

利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），所以電容量增大。

濕敏電容外形吸水高分子薄膜濕敏電容模塊及傳感器外形電容式接近開關(guān)

被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)