传感器和实用检测技术 第3-3章.ppt

图3－30　变间隙式电容式传感器 ;图3－31　C－d特性曲线;　　极板面积为A,初始间隙为d0,介质为空气(εr=1)的电容器的电容值为 ;因Δd/d01，分母中Δd/d0项可忽略，得近似的线性关系式,即 ;图3－32　具有固体介质的变间隙式电容式传感器 ;　　云母的介电常数为空气的7倍,其击穿电压不小于1000kV/mm,而空气的击穿电压为3kV/mm,因此有了云母片,极板间起始距离可大大的减小。　　一般电容式传感器的起始电容为20～30pF,极板间距在25～200μm的范围内,最大位移应该小于间距的1／10。所以,在实际应用中,为了提高灵敏度,减小非线性,大多采用差动式的结构。在差动式电容式传感器中,其中一个电容器的电容C1随位移Δd增加时,另一个电容器的电容C2则减少,如图3－33所示。 ;图3－33　差动式电容式传感器 ;电容器的初始电容C1、C2为 ;因而传感器的灵敏度为 ;3.5.3　变面积式电容式传感器　　变面积式电容式传感器有很多结构形式,图3－34(a)、(b)所示是两种较常见的变面积式电容式传感器。　　图3－34(a)是角位移式结构,其动、定极板分别是两个半圆片,当动极板有一角位移θ时,与定极板间的有效覆盖面积A就改变,从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时,有 ;　当θ≠0时,有 ;图3－34　变面积式电容式传感器(a)角位移式;(b)直线位移式 ;　　图3－34(b)是直线位移式结构,当动极板移动Δx之后,面积A就改变,则电容也随之改变,其值为(忽略边缘效应) ;3.5.4　变介电常数式电容式传感器　　1.电容式液位传感器　　图3－35所示是一种变极板间介质的电容式传感器测量液位高低的结构原理图。设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 ;　　　C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,即 ;图3－35　电容式液位传感器结构原理图 ;　　2.电容式位移传感器　　图3—36是一种常用的结构形式。图中两平行电极固定不动，极距为d，相对介电常数为εr2：的电介质以不同深度插人电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量 ;图3—36 变介电常数式电容传感器;若电介质εr1=1,则当L=0时,传感器的初始电容为 ;3.5.5　电容式传感器的信号调理电路　　电容式压力传感器在结构上有单端式和差动式两种形式,因为差动式的灵敏度较高,非线性误差也小,所以电容式压力传感器大都采用差动形式。　　差动式电容压力传感器主要由一个膜式动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时,形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 ;东蛀泳星腥蓝映罪邯赴堂奠套装畴瞥沃疫鳖殷仔臀尹寄膊瘦姑穗织壕驾饥传感器和实用检测技术 第3-3章传感器和实用检测技术 第3-3章;　　差动式电容压力传感器的测量电路常采用双T型电桥电路。双T型电桥电路如图3－37所示。其中,e为对称方波的高频信号源;C1和C2为差动式电容传感器的一对电容;RL为测量仪表的内阻;VD1和VD2为性能相同的两个二极管;R1、R2(R1=R2)为固定电阻。;图3－37　双T电桥电路 ;　　当e为正半周时,VD1导通,VD2截止,电容C1充电至电压E,电流经R1流向RL,与此同时,C2通过R2向RL放电。当e为负半周时,VD2导通、VD1截止,电容C2充电至电压E,电流经R2流向RL,与此同时,C1通过R1向RL放电。　　当C1=C2,亦即没有压力输给传感器时,在e的一个周期内流过负载RL的平均值为零,RL上无信号输出。当有压力作用在膜片上时,C1≠C2,在负载电阻上的平均电流不为零,RL上有信号输出。 　;式中   ;3.5.6　电容式传感器的应用　　1.电容式荷重传感器　　图3－38所示为电容式荷重传感器的结构示意图。 结构原理：它是在镍铬钼钢块上,加工出一排尺寸相同且等距的圆孔,在圆孔内壁上粘接有带绝缘支架的平板式电容器,然后将每个圆孔内的电容器并联。 当钢块端面承受重量F作用时,圆孔将产生变形,从而使每个电容器的极板间距变小,电容量增大。电容器容量的增值正比于被测载荷F。;图3－38　电容式荷重传感器的结构示意图 ;　　2.硅电容式加速度传感器　　图3－39所示为一零位平衡式(伺服式)硅电容式加速度传感器的原理框图。传感器由玻璃—Si—玻璃结构构成。硅悬臂梁的自由端设置有敏感