1.2电容式传感器.ppt

* * １.2 电容式传感器 电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉等优点。 因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的广泛应用。 1.2.1 电容式传感器的基本原理及性能特点 电容式传感器的基本工作原理可以用图所示的平板电容器来说明。 极板间介质的介电常数为： 设两极板相互覆盖的有效面积： 两极板间的距离为： 在忽略板极边缘影响的条件下，平板电容器的电容量C（F）为： 如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数式。 由公式 可以看出： 三个参数都直接影响着电容量C的大小。 一、变面积式电容传感器 图示的是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。 电容因位移而产生的变化量为 其灵敏度为 下图是此类传感器的几种派生形式。图a是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为 图b中极板采用了锯齿板，其目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。当齿板极板的齿数为n，移动△x后，其电容量为 其灵敏度为 由前面的分析可得出结论，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。 图C为圆筒型电容传感器，也是变面积传感器的一种派生形式，性能与平板变面积传感器一样，但加工比较容易。 二、变间隙式电容传感器 设极板面积为A，其静态电容量为 右图为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离 d 发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C 当活动极板移动?x后，其电容量为 当 时 则 由式 可以看出电容量C与?x不是线性关系 只有当 时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小时。 但当 d 过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。 三、变介电常数式电容传感器 当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多多种，图为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。 由图中可以看出，此时传感器的电容量为 其中： 设极板间无 介质时的电容量为： 当ε2介质插入两极板间则有： 公式表明，电容量C与位移x呈线性关系。 Ｃ 电容传感器特性 变面积或变介电常数 变距离 1. 2. 2电容式传感器的常用测量电路 常见的电容式传感器的测量电路有:普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路。在此主要介绍后三种电路。 测量电容的电桥电路 测量电容的电路如图所示，电阻R2和R4作为两臂，被测电容（Cx、Rx）作为一臂，无损耗电容器Co和标准电阻Ro串联后作为一臂。当电桥平衡时： 一、电桥电路 二、双T电桥电路 测量电路如图所示。图中C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容。RL为负载电阻，V1、V2为理想二极管，R1、R2为固定电阻。 如果选择特性相同的二极管，用R1=R2，C1=C2，则流过RL的电流i1和i2的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内渡过负载电阻RL的平均电流为零，RL上无电压输出。若C1或C2变化时，在负载电阻RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。 当R1=R2=R，RL为已知时，则 故 双T电桥电路具有以下特点： I.? 信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共的接地点。 II.?二极管V1和V2工作在伏安特性的线性段。 III.??输出电压较高。 IV.??电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。 V.?可以用作动态测量。 三、运