第3章电容式传感器.pptVIP

几种不同的电容式传感器的原理结构图 （a）、（b）为变极距型； （ c）、（d）、和（f）为变面积型； （g）和（h）为变介电常数型。 （a）和（b）、（c）、（e）是线位传感器； （d）是角位移传感器；（b）和（f）是差动式电容传感器。 电容的相对变化量当 时，将式用泰勒级数展开： 略去非线性项后，有近似关系为 令 则S=1/d 式中，S——变极距电容式传感器的灵敏度，它说明了单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小。 由以上各式可得以下结论：（1）欲提高灵敏度S，应减小起始极距d；但受电容器击穿电压的限制，而且增加装配工作的困难；（2）非线性将随最大相对位移增加而增加，因此为了保证一定线性度，应限制动极板的相对位移量；（3）为了改善非线性，可采用差动结构。当一个电容增加时，另一个电容则减小。这时对于差动结构，两电容并联，总输出减少了偶次项，显然非线性减小，且灵敏度提高一倍。 例4.1 一变极距斜型平板电容电传感器，d0=1mm，若要求测量线性度为0.1%。求：允许极距测量最大变化量是多少？ 解：变极距平板型电容传感器输出的线性表达式 忽略高阶项非线性表达式为 线性度 由题意得测量允许变化量 三、 变介质型电容式传感器 传感器总电容量C为式中: L0, b0——极板长度和宽度;  L——第二种介质进入极板间的长度。若电介质εr1=1, 当L=0时, 传感器初始电容C0=ε0εr１L0b0/d0。 当介质εr2进入极间L后, 引起电容的相对变化为 3.3 电容式传感器的测量电路 3.3 电容式传感器的应用 在实际应用中, 为了提高灵敏度, 减小非线性误差, 大都采用差动式结构。 在差动式平板电容器中, 当动极板位移Δd时, 电容器C1的间隙d1变为d0-Δd, 电容器C2的间隙d2变为d0+Δd, 则 在Δd/d0《时, 则按级数展开: 电容值总的变化量为 ΔC= C1-C2=C0 电容值相对变化量为 如果只考虑式（5 - 24）中的线性项和三次项, 则电容式传感器的相对非线性误差δ近似为 比较式（5 - 15）与式（5 - 25）及式（5 - 18）与式（5 - 26）可见, 电容传感器做成差动式之后, 灵敏度提高一倍, 而且非线性误差大大降低了。 3.2 等效电路电容式传感器的等效电路如图图（a)中C是传感器电容，RP是并联电阻，它包括了电极间漏电阻和气隙中介质损耗的等效电阻。L表示各连线端间总电感，RS由引线电阻，极板电阻和支架电阻组成。在大多数情况下，由于使用环境温度不很高、湿度不很大，若供电电源频率较合适，设计合理，则可用一个纯电容来代表。但当供电电源频率较低或在高湿度环境条件下使用时，由于容抗大，RS和L可以忽略，但传感器电极间的漏电阻不能忽略，这时传感器可等效成图（b）所示的电路。随着供电电源频率增高，传感器容抗减小，可以忽略并联电阻，但电流趋肤效应使导体电阻增加，必须考虑传输线（一般为电缆）的电感和电阻，这时等效电路如图（c）所示，该等效电路的谐振频率通常为几十MHz，供电电源频率必须低于谐振频率，一般为谐振频率的1/3-1/2，传感器才能工作。 。 由图3.7 ( c )可得 式中w——传感器供电电源角频率； Ce——传感器等效电容（即CAB端电容）。 由于C一般很小，容抗很大，而RS很小可以忽略，故 此时变极距电容传感器的等效灵敏度 式中 ——被测量变化； ——传感器灵敏度， = / 。 由式（4.12）可知，传感器灵敏度与传感器固有电感（包括电缆电感）有关；Se随而变化。因此，改变传感器电源频率或更换传感器到转换电路的电缆后，必须对传感器重新进行标定  电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这样微小的电容量还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, 不便于传输。这就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。 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。 式中: L——振