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第5章 电容式传感器 电容传感器 特点： 结构简单、体积小、分辨率高； 可实现非接触式测量； 动态响应好； 能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作； 电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。 5.1　电容式传感器的工作原理 在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。 电容式传感器可分为三种： 变极板间距离的变极距型 改变极板面积的变面积型 改变介质介电常数的变介质型 1. 变极距型电容传感器 击穿问题 一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。 2.变面积型电容传感器 3. 变介电常数型电容式传感器 电容式传感器主要性能 1. 静态灵敏度 被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比 2. 非线性 2. 非线性 低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略 等效电容Ce=C0+Cp， 等效电阻Re≈Rg 高频等效电路 电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其中C=C0+Cp，而re≈r 5.2　电容式传感器的测量电路 5.2.1 调频电路 调频电路 5.2.2 变压器式交流电桥 5.2.3运算放大器式电路 最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性 5.2.4二极管双T型电路 当传感器没有输入时， C1＝C2 一个周期内流过负载的平均电流为0 当传感器有输入时，C1！＝C2 电路的特点 : ①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响； ②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； ③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点； ④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器 。 5.2.5差动脉冲调宽电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化 通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 5.2.5 脉冲宽度调制电路 优 点： 采用直流电源，其电压稳定度高 不存在稳频、波形纯度的要求 也不需要相敏检波与解调等 对元件无线性要求 经低通滤波器可输出较大的直流电压 对输出矩形波的纯度要求也不高 5.3 电容式传感器的应用 5.3.1 电容式压力传感器 5.3.2 电容式位移传感器 5.3.3 电容式加速度传感器 5.3.4 电容式厚度传感器 U 0 i C 1 i C 2 ±UE D 1 D 2 R R C 1 C 2 R L 电源为正半周 D1短路 D2开路， 电容C1被充电 影响不予考虑， 电容C2的电压 初始值为UE Ｕｏ R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC1 iC2 + + － ＋ ±UE C1、C2 传感器的差动电容； 平衡时：C1＝C2， I1＝I2，一个周期内负载的电流为零； UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为 U1—触发器输出的高电位 设R1＝R2＝R，则 Ur—触发器的参考电压。 同理可得： 设电容C1和C2的极间距离和面积分别为δ1、δ2和S1、S2 差动变极距型 差动变面积型 特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何 差动式电容式传感器 并具有理论上的线性特性 * * 主要内容 5.1 电容式传感器的工作原理 5.2 变极距型电容式传感器的非线性 5.3 电容式传感器的等效电路 5.4 电容式传感器的信号调节电路 5.5 电容式传感器的应用 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。 非电量的变化转换成电容量的变化 按工作原理 变极距型 变面积型 变介电常数型 变极距(δ）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l) 非线性关系 若△d/d1时，可简化为 若极距缩小△d 最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性 初始电容 △C与△x间呈线性关系 角位移型 变面积型电容传感器 C1（ΔC）与θ（角位移）成线性关系。 定极板 动极板 平板电容式角位移传感器 平面线位移型 柱面线位移型 初始电容 电容式液位传感器 :此种传感器的电容量正比于被测液位的高度。 电容与液位的关系为： 当L=0时，传感器的初始电容 当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 另： 例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液