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第三章第5节 电容式传感器 中南大学交通运输学院 * 第三章 传感器 中南大学交通运输学院 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 + + + d A ? 当被测量d、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 角位移型 平面线位移型 b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型. + + + + + + x x 柱面线位移型 灵敏度较低，适用于较大直线位移和角位移的测量 三、 变介质型电容式传感器 测量纸张, 绝缘薄膜等的厚度； 测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。 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, 则此时变换器电容值为 电容式传感器的测量电路  电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受。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、运算放大器式电路等。 a) 电桥电路 b) 直流极化电路 uy R E0 f P δ c) 谐振电路 工作点应选在谐振曲线一边的准线性区内。电路比较灵敏，但工作点不易选好，变化范围较窄，电缆电容的影响较大 d) 调频电路 调频 振荡器 限幅 鉴频 放大 输出 δ Cx 被测物体 抗干扰强，灵敏度高，但电缆电容的影响较大 一、 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。 e) 运算放大器电路 运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。 采用比例运算放大器电路可得到输出电压uy和位移量的线性关系 驱动电缆的工作原理 测量电路 内屏蔽 外屏蔽 传感器 1 电容式传感器中电容值一般只有几十或几百pF,电容变化值常在1pF以下，而且传感器极板与周围元件及连接电缆存在寄生电容，这使测量精度受到很大影响。 为减少或消除寄生电容的影响，常用措施有：缩短传感器和测量电路之间的电缆；将测量电路的一部分和传感器做成一体或采用专用的驱动电缆。 电容式传感器的应用 一、 电容式压力传感器 图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。 当被测压力作用于膜片并使之产生位移时, 两个电容器的电容量一个增大, 一个减小。 电容值的变化经测量电流或电压的变化。 二、 电容式加速度传感器 有两个固定极板（与壳体绝缘）, 中间有一用弹簧片支撑的质量块, 质量块的两个端面作为可动极板（与壳体电连接）。 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化, 从而使C1、 C2产生大小相等, 符号相反的增量, 此增量正比于被测加速度。 三、 电容式料位传感器 在罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。 当罐内放入被测物料时, 受被测物料介电常数的影响, 传感器的电容量将发生变化, 电容量变化的大小与被测物料在罐内高度成比例变化。 4 应用 案例：电容传声器 案例:液面高度测量 1）滑线变阻器式传感器不适于微小位移量测量。（ ） 2）涡流式传感器属于能量控制型传感器（ ） 3）压电加速度计的灵敏度越高，其工作频率越宽。（ ） 4）极距变化型电容式传感器，其灵敏度与极距成反比 。（ ） 5） 差动变压器式传感器的工作原理是（），故也称其为（）传感器。 6）为使四臂交流电桥平衡，若两相邻臂接入二电阻，另外两相邻臂应接入性质相同的阻抗元件。 （ ） 7）可变磁阻式传感器的灵敏度与气隙大小的关系是：气隙越小，灵敏度（）。 8）当被测量是一个单向向量，要求传感器单向灵敏度（），其横向灵敏度（）。 9）传感器的灵敏度越高，则线性范围就（）。 10）变间距电容传感器的灵敏度与（　）成反比，所以适合于微小位移的测量。变面积式电容传感器的灵敏度与（ ）成正比，所以不适合微小位移的测量。