检测与传感技术 教学课件 作者 冯柏群 祁和义 (第3章)电容式传感器.ppt

第3章 电容式传感器 3.1 电容式传感器的工作原理 和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 式中：?——电容极板间介质的介电常数，?=?0?r ，其中?0为真空介电常数，?r极板间介质的相对介电常数； A——两平行板正对面积； d——两平行板之间的距离。 如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可以转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型3种。 3.1.1 变极距型电容传感器 当传感器的?r和A为常数，初始极距为d0时，其初始电容量C0为 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有 传感器的输出特性不是线性关系，而是曲线关系。 若Δd/ d01时，1?（Δd/d0）2≈1，则上式可以简化为 此时C与Δd近似呈线性关系，在d0较小时，对于同样的Δd变化所起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小。容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。 云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。在微位移测量中应用最广。 3.1.2 变面积型电容式传感器 1、线性位移电容传感器 当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为 电容相对变化量为 ： 很明显，这种传感器其电容量C与水平位移Δx呈线牲关系。 2、电容式角位移传感器 当动极板有一个角位移??时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。 当动极板转动??时，则 3.1.3 变介质型电容式传感器 1、原理 设被测介质的介电常数为?1，液面高度为h，变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时变换器电容值为 变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 2、应用 用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。 3.2 电容式传感器的测量电路 3.2.1 调频电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时。振荡器的振荡频率就发生变化。调频式测量电路原理框图如下图所示。图中调频振荡器的振荡频率为 式中：L——振荡回路的电感；C——振荡回路的总电容，C= C 1+ C 2+ C x，其中C 1为振荡回路固有电容，C 2为传感器引线分布电容，C x= C 0±ΔC为传感器的电容。 当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01?m级位移变化量。 3.2.2 运算放大器式电路 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高，运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。由运算放大器工作原理可得 如果传感器是一只平板电容，可得 式中：“?”号表示输出电压 的相位与电源电压反相。 运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。 3.2.3 二极管双T形交流电桥 1、当传感器没有输入时，C1=C2。 其电路工作原理如下： ①当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。 ②当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。根据上面所给的条件，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。 2、若传感器输入不为0，则C1≠C2，I1≠I2，此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为 若 则输出电压可改写为 Uo=U f M(C1?C2)