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第四章 电容式传感器 优点：测量范围大，灵敏度高； 动态响应时间短，机械损失小； 结构简单，适应性强。 缺点：寄生电容影响大；具有分线性输出。 4.1电容式传感器的结构原理 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 当被测参数变化使得A、 d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。电容式传感器可分为:变极距型、变面积型和变介电常数型三种。 一、工作原理 1)变极距型电容传感器 当传感器的和S为常数，初始极距为时，可知其初始电容量为 若电容器极板间距离由初始值缩小了，电容量增大了，则有 = 1 \* GB3 ①若时，则展成级数： → 此时，与近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在很小时，才有近似的线性关系。 = 2 \* GB3 ②另外，在较小时，对于同样的变化所引起的可以大些，从而使传感器灵敏度提高。但过小，容易引起电容器击穿或短路。 电容式传感器的灵敏度: 输出电容的变化量与输入位移之间成非线性关系. 当时，可略去高次项，得到近似的线性关系： 电容传感器的灵敏度为： 说明：灵敏度与呈反比关系，即越小，灵敏度越高。 差动平板式电容传感器结构图 如右图所示： 在差动式平板电容器中，当动极板位移时，电容器的间隙变为，电容器的间隙变为 则 A A 按级数展开得： ； 电容值总的变化量为 在时，可略去高次项，得到近似的线性关系： 2)变面积型电容传感器 被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。初始电容为： 当动极板相对于定极板平移时，电容为： → 线性关系 3)变介质型电容传感器 （1）测量液位高度：设被测介质的介电常数为，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，由其基本尺寸决定的初始电容值为： 可见，此变化器的电容相对变化量正比于被测液位高度h。 （2）介质插入极板深度：两平行电极固定不动，极距为，相对介电常数为的介质，以不同深度插入电容器中。设传感器初始电容： 传感器总电容量C为： 当时， 可见，电容的相对变化量与电介质的移动量L呈线性关系。 4.2电容式传感器的等效电路 通常电容式传感器中的电容值都很小，感应被测量后期输出信号很微弱，所以必须借助转换电路，将电容变化转换为电流、电压、频率等信号进行传输、显示。 一、电容式传感器等效电路 等效电路主要包括：传输线电感L0；电阻R；传感器电容C0；屏蔽导线A、B两端分布电容Cp；传感器极板间等效漏阻Rg。 克服寄生电容的方法：屏蔽措施、双层屏蔽。 二、电桥电路 1.交流电桥 空载时： → 下图是交流电桥的多种形式： 2.二极管双T型电路 是高频电源，为特性完全相同的两个二极管，,为传感器的两个差动电容，为负载电阻。 3.差动脉冲调宽电路 工作原理：当接通电源后，若触发器Q端为高电平（U1），Qˉ端为低电平（0）时，则触发器通过R1对C1充电，当F点电位升到与参考电压Ur相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转。从而使Q端为低电平，Qˉ为高电平（U1）。此时，由电容C1通过二极管D1迅速放点至0，而触发器由Qˉ端经过R2向C2充电，当G点电位与参考电压Ur相等时，比较器A2输出脉冲使触发器翻转，后循环上述过程。 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲宽度受C1、C2调制。 4.运算放大器式电路 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高, 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器比较理想的测量电路。 如果传感器是一只平板电容，则Cx=εA/d，可得