第4章 电容式传感器汇编.ppt

第4章 电容式传感器 4.1 电容式传感器（原理、类型、特点等。本章重点） 4.1 电容式传感器 4.1.1 平行板电容式传感器工作原理 a)角位移式 图4.5为齿形极板的位移式电容传感器。采用齿形极板的目的是利用平均效应，减小误差。 若在两极间充以其他介质，使介电常数相应变化，则电容量也随之变化。这种传感器常用来检测容器中液面高度、片状材料的厚度等。 4.1.2 圆柱形电容式传感器工作原理 当两圆筒相对移动△L时，电容变化量△C为： 由以上分析可得出结论，同轴圆柱型电容传感器的灵敏度为常数，即输出△C与输入△L呈理想的线性关系。 当被测液体的液面在同心圆柱形电极间发生变化时，将导致电容的变化。 此时，相当于两个同轴圆柱形电容C0、C1并联： 4.1.3 电容式传感器的特性 (只介绍结论) 1、等效电路 若考虑电容器的损耗和电感效应，电容式传感器的等效电路如右图。C为传感器电容，RP为并联损耗电阻，RS为引线电阻，L为电容传感器本身电感和外部引线电感。由此可得到等效阻抗ZC，即： 电容传感器的等效电路，特别是高频时存在串联谐振频率，该谐振频率通常为几十MHz。故一般的供电频率要远离该值，一般为1/2~1/3，传感器才能正常工作。 （1）高阻抗 电容式传感器的电容量一般很小，其容抗Xc=1/jωC，呈现高阻抗。 （2）小功率 4.1.4 转换电路（只介绍电路形式与结果） 1、调频电路 二极管双T型交流电桥是利用电容充放电特性进行工作。 负载RL的两端电压为输出信号，可推出： 该电路的特点： ①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减少了分布电容的影响； ②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求高度稳定； ③输出阻抗为R，克服了电容传感器高内阻的缺点； ④适用于单组式和差动式电容传感器。 4.2 容栅式传感器* 4.3.2 电容式传感器的应用举例 2、电容式压力传感器 全校公选课 本章包含以下部分内容 4.2 *容栅式传感器（一般介绍） 4.3 电容式传感器的应用 电容式传感器是把被测量的变化转换为电容量变化的一类传感器。实质上是一个具有可变参数的电容器。最常用的是平行板电容传感器和圆柱形电容传感器。 可用来测量压力、力、位移、振动、液位、成份含量等。 设两极板相互覆盖的有效面积为S（m2），两极板间的距离为d0（m），极板间介质的介电常数为ε（F/m）。若忽略板极边缘的影响，平板电容器的电容量C（F）为: 其中：εr----相对介电常数； ε0----真空中的介电常数， ε0=8.85×10-12F/m 可以看出，εr，S，d0三个参数都直接影响着电容量C的大小。 图4.1 平板电容器 d0 S 如果保持上式中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。故电容式传感器可分为三种类型： ①变极距型（变间隙型）：改变极板距离d0 ； ②变面积型：改变极板相对面积S ； ③变介电常数型：改变介电常数ε。 1.变极距型（图4.1） ε=常量，S=常量，极距d0 可变，此时：C=f(d0) 图中极板1固定不动，称定极板，极板2为可动极板。当可动极板随被测量变化而移动时，使两极板间距离d 0 变化，从而使电容量发生变化。C随d0变化的函数关系为反比例函数关系。 特性分析 设动极板处于初始位置d0时，电容器初始电容量为C0 当间距减小△d时，则电容变化量△C为： 则电容相对变化量△C/C0为： 当△d d0，上式可展开成级数： 忽略上式高次项，有 此式表明，在△d d0情况下，电容变化量△C与极板间距变化量△d 呈近似线性关系。 的大小有关，非线性误差表达式为 非线性误差与 如：当极距相对变化量为0.1时，则误差达10%，误差较大。 此式表明：灵敏度K是极板间距d0的函数，d0越小，灵敏度越高。 但减小d0，同样会使非线性误差增大，且受电容器击穿电压的限制，制造困难。为此，在实际应用中，为改善非线性，常采用差动式结构。 该类传感器的灵敏度为： 我们只给出结论：差动式电容传感器，灵敏度提高了一倍，非线性误差可以减小一个数量级（详见教材）。 (a)角位移式 (b)直线位移式 图4.4 变