[工学]第三章 电容式传感器.ppt

第三章 电容式传感器;电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 结构简单、高分辨率、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。 随着集成电路技术和计算机技术的发展，使得它存在的分布电容、非线性等缺点得到有效克服，成为一种很有发展前途的传感器。;第一节 电容式传感器的工作原理和结构;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。 在实际使用时，电容式传感器常以改变平行板间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。 改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积A的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。;二、变极距型电容式传感器;动极板上移使d0 减少Δd：;略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为;如果考虑线性项及二次项，则;变极距型电容传感器只有在Δdd0 时(小测量范围) ，才有近似的线性输出； 灵敏度S与初始极距d0的平方成反比，故可用减少d0的办法来提高灵敏度。 一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～30pF之间，极板间距离在25～200μm的范围内，最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。; 在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC较大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。;εg 为云母的相对介电系数，dg为云母片的厚度，d0为空气隙的厚度。;动极板;动极板上移时：;;提高一倍;差动式比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。;三、变极板面积型电容式传感器;当动极板相对于定极板延长度a方向平移Δx时，可得： ;2、电容式角位移传感器;下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。;式中： ε ——空气介电常数； C0 ——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即：;第二节 电容式传感器的测量电路;当接通电源后，若触发器Q端为高电平， 端为低电平，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器IC1??生一个脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平， 端为高电平。;可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。当C1=C2时，各点的电压波形如图所示，Q和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。;根据电路知识可知： ;C1、C2的充电时间T1、T2为：;对于差动式变极距型电容传感器：;可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。;二、运算放大器式电路;如果传感器是一只平行板电容，则：;第三节 电容式传感器应用举例;例 电容式称重传感器; 电容式称重传感器;例 电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用; 电容式料位传感器;上图中电容随料位高度h变化的关系为：;例：湿度测量;电容式键盘;电容传声器;习题．某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径