CH3电容式传感器1.ppt

电容式传感器 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或/和被测物）就是一个可变电容器。 被测量的变化? 电容式传感器? 电容量的变化 被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成份分析等, 精度可达 0.01%，250mm量程可达5um。 电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，是很有发展前途的。 3.1 电容式传感器的工作原理及类型 当被测参数变化使得式中的S、 d或ε发生变化时， 电容量C也随之变化。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三种。其中变极距型和变面积型应用较广。 3.2 电容式传感器的灵敏度及非线性 3·2·1 变极距电容式传感器 当电容器板间极距d 缩小Δd，电容器增大ΔC。 可见ΔC与Δd 并不是纯粹线性关系。 当Δdd 时， ， 灵敏度 可见在d越小时灵敏度越高。在测量微小量变化时，可以近似认为 变极距电容式传感器 在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以很大，从而使传感器灵敏度提高。 d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可部分采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质, 如下图， 差动型电容式传感器 实际应用中，常常采用差动型电容式传感器。 作用：改善非线性，提高灵敏度，减少外界因素影响。 3.2.2 变面积型 2、角位移量 3、圆柱型位移量 3.2.3 变介质型电容式传感器 3.2.3 变介质型电容式传感器 如图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1，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 变介质型电容式传感器 可见，此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。  变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、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。 变介质型电容式传感器 图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度进入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量C为 3.3 电容式传感器的特点及等效电路 3.3.1 特点： 优点： 1、温度稳定性好。 2、结构简单，适应性强。 3、动态响应性好。 4、可以实现非接触测量。 5、可以实现微压、微力、微小位移、加速度等的测量。 缺点： 1、输出阻抗高，负载能力差。 2、寄生电容影响大。 3、输出特性非线性。 3.3.2 等效电路 R,L —— 传输线的电阻和电感 C —— 传感器的电容； Cp —— 寄生电容； Rp —— 极间漏电阻（绝缘电阻）； A，B端等效电容 Ce (忽略Rp, R 的影响)： 等效电路 若Cp 很小，则 对C 求导： 等效电容灵敏度： 3.4 电容式传感器检测转换电路 电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这样微小的电容量很难直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。必须借助于测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。 电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。 3.4.1 调频测量电路 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。 将频率作为测量系统的输出量, 可以用来判断被测非电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大处理后输入显示或记录等仪器。 　 3·4·1 调频测量电路 调频振荡器的振荡频率为： 当被测信号为0时，ΔC 为零。当被测信号不为0时，C产生变化ΔC，相应引起Δf 的变化为 3·4·2调幅电路 ①交流电桥法 ②谐振法 3·4·3 运算放大器式测量电路 变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示