传感器第3章 电容式传感器

第3章电容式传感器科学技术的不断发展极大地丰富了各类传感器，以压力测量为例，现今常用的测量压力的传感器，有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等，电容式、压阻式、压电式、压磁式，能将多种信息转化为电信号。电容结构简单，性能可靠，成本低廉，容易实现参数改变，可广泛应用于各类物理量的测试。电容式传感器是以可变参数电容器作为传感元件，待被测非电量转换为电容量变化，进而转换为电信号输出的装置。电容测量技术在近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、加速度、角度、力、压力、物料、介质特性等多方面量的精密测量，而且还逐步地扩大应用于压差、液面、料面、成分含量等方面的测量。式中，A为极板面积；d为极板间的距离；为极板间介质的相对介电常数；为真空介电常数，=8.85F/m；为极板间介质的介电常数。3.1电容式传感器的工作原理及结构形式为了便于研究和应用，先从电容式传感器结构原理最简单的、应用最多的平板电容式传感器来进行研究。平板电容式传感器的基本工作原理可以用图3-1所示的平板电容器来说明。图3-1平板电容器当忽略边缘效应时，平板电容器的电容量为dAdACr0r0010123.1电容式传感器的工作原理及结构形式在实际应用中，常使d、A、三个参数中的两个保持不变，而改变其中一个参数来使电容量发生变化。所以，电容式传感器可以分为三种类型：改变极板距离d的变间隙型、改变极板面积A的变面积型和改变介质相对介电常数的变介电常数型。rr图3-2所示为一些电容式传感器的原理结构形式。其中，图3-2a、b为变间隙型电容式传感器；图3-2c~f为变面积型电容式传感器；图3-2g、h为变介电常数型电容式传感器。3.1电容式传感器的工作原理及结构形式图3-2几种不同的电容式传感器的原理结构图3.1.1变间隙型电容式传感器图3-3为变间隙型电容式传感器的原理图。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。图3-3变间隙型电容式传感器设极板面积为A，其静态电容量，当活动极板移动x后，其电容量为1—固定极板2—活动极板22011dxdxCxdAC(3-2)设极板面积为A，其静态电容量，当活动极板移动x后，其电容量为22011dxdxCxdAC3.1.1变间隙型电容式传感器当x＜＜d时)1(0dxCC(3-3)3.1.2变面积型电容式传感器图3-4为直线位移变面积型电容式传感器的示意图。图3-4直线位移变面积型电容式传感器当动极板移动Δx后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为C=εb（a－Δx）/d=－εbΔx/d（3-4）电容因位移而产生的变化量为3.1.2变面积型电容式传感器axCxdbCCC00其灵敏度为dbxCK可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。图3-5变面积型电容式传感器的派生型a)角位移型b)齿形极板型图3-6介质面积变化的电容式传感器3.1.3变介电常数型电容式传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数发生变化，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种。图3-6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。3.1.3变介电常数型电容式传感器由图3-6可以看出，此时传感器的电容量为BACCC（3-7）2211//ddbxCA121/)()(ddxlbCB式中，设极板间无介质时的电容量为，当介质22110ddblC插入两极板间则有2)11()(CC21212101212211BAddlxCddxlbddbxC(3-8)式（3-8）表明，电容量C与位移x呈线性关系。3.2电容式传感器的等效电路电容式传感器的性能比较稳定，因为对于大多数电容器，除了在高温、高湿条件下工作，它的损耗通常可以忽略，在低频工作时，它的电感效应也是可以忽略的。上节中各种类型的电容式传感器的灵敏度和线性度的分析，都是在将电容式传感器视为纯电容条件下作出的，这在大多数实用情况下是允许的。在电容器的损耗和电感效应不可忽略时，电容式传感器的等效电路如图3-7所示。图中为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗。这部分损耗的影响通常在低频时较大，随着频率增高，容抗减小，它的影响也就减小了。串联电阻代表引线电阻及电容器支架和极板的电阻，在几兆赫频率下工作时，这个值通常是很小的，它随着频率的增高而增加。因此，只有在很高的工作频率时，才要加以考虑。RpRs3.2电容式传感器的等效电路图3-7电容式传感器的等效电路电容式传感器只有在低于谐振频率时，才能正常使用3.3电容式传感器的信号调节电路由于电容式传感器的电容值变化量十分微小，必须借助于信号调节电路将这微小电容值的变化量转换成与之成正比的电压、电流或频率，这样才可以方便实现传输、显示以及记录。3.3.1运算放大器式电路运算放大器式电路的最大特点是能够克服变间隙型电容式传感器的非线性而使其输出电压与输入位移（间距变化）有线性关系。图3-8为这种电路的原理图，为传感器电容。Cx3.3.1运算放大器式电路现在来求输出电压与传感器电容之间的关系。0UCx由u0=0，I=0，则有3.3.1运算放大器式电路IIICUICUxxxoijj00011(3-11)解式（3-11）得CCUUxi00（3-12）而dACx，将其代入式（3-12）得dACUUi00（3-13）3.3.2电桥测量电路图3-9为电容式传感器的电桥测量电路。一般传感器包括在电桥内，用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源去激励，最后经电流放大及相敏整流得到直流输出信号。图3-9电桥测量电路a）电路原理图b）变压器电桥电路从图3-9a可以看出平衡条件为3.3.2电桥测量电路212121212CdzCCddzz此处和组成差动电容，和为相应的间隙。若中心电极移动了，电桥重新平衡时有C1C2d1d2d'221212ddzddzz221212'()zzdddzz因此（3-15）（3-14）3.3.3调频电路1)抗外来干扰能力强。2)特性稳定。3)能取得高电平的直流信号(伏特数量级)。3.3.4谐振电路图3-11谐振电路a)原理框图b)工作特性3.3.5二极管T形网络3.3.6脉冲宽度调制电路图3-14脉冲宽度调制电路的电压波形3.4电容式传感器的应用前面已经介绍电容式传感器可以直接测量的非电量为直线位移、角位移及介质的几何尺寸（或称物位），直线位移及角位移可以是静态的，也可以是动态的，如直线振动及角振动。用于上述三类非电量参数变换测量的传感器一般说来原理比较简单，无需再作任何变换。3.4.1电容式压力传感器图3-15电容式压力传感器的结构外壳金属镀层定极板凹形玻璃膜片动极板过滤器P1P23.4.2电容式加速度传感器3.4.3电容式测厚仪电容式料位传感器DdHh1电容液面计原理图1、２—圆柱状极板作业：1、根据工作原理，电容式传感器可以分为哪几种类型？2、了解电容式传感器的几种应用教材3.2解：,0xACrx----极板距离灵敏度：200xAxAdxdCKrr)/(08.7)/(1008.7001.01081085.80006.192412mmpFmF