46电容式传感器

电容式传感器电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。一、工作原理电容传感器的基本理想公式：1、平板：0rAACdd定片动片ε：电容极板间介质的介电常数，ε=ε0·εr；ε0：真空介电常数；εr：极板间介质相对介电常数；A：两平行板所覆盖的面积；d：两平行板之间的距离。2、圆筒：)/ln(2=C0rRlrRrl定片动片l：圆筒长度；r、R：内、外圆筒半径。0rAACddεdA改变A、d、ε三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器①变间隙型②变面积型③变介电常数型二、电容型传感器的结构类型（一）变间隙式电容传感器1—定极板2—动极板电容量与极距关系•设在被测量作用下，动极板向上移动Δd，其电容量增加，电容变化量为：式中，C0为初始电容量，]11[0000ddddCCCC00/dAC0rAACdd在时，将上式展开成麦克劳林级数：若动极板向下位移Δd，同理可得：1/0dd])()([302000ddddddCC]1[01000dddddCCCC])()([302000ddddddCC...])()(1[32ddddddddCC非线性误差部分－高次项灵敏度：)...(时dddcdCk考虑：观察特性曲线，为了提高灵敏度，应使当d小些还是大些？这类传感器还要注意哪些问题？)...(时dddcdCk•可得以下结论：①欲提高灵敏度S，应减小起始极距d；但受电容器击穿电压的限制，而且增加装配工作的困难；②非线性将随最大相对位移增加而增加，因此为了保证一定线性度，应限制动极板的相对位移量；③为了改善非线性，可采用差动结构。（二）变面积式电容传感器•角位移：极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ度时，两极板的遮盖面积A↓→电容量↓。•板状线位移：极板2可以左右移动，极板1固定不动。•筒形：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。角位移板状筒形角位移变面积型•当转动动片一个角度θ，遮盖面积发生变化，电容量也随之改变。当θ=0时，其电容量为dAC0当θ≠0时，其灵敏度为：)/1()/1(00CdAC0CddCk板状线位移变面积型•当动板沿箭头所示方向移动x时，传感器的电容量为：)1()(0lxCdxlbCx灵敏度为dbdxdCkx筒型电容量：)/ln(2=CrRl当两圆筒相对移动x时，电容变化量：)1(=)1()/ln(2=)/ln()(2=0lxClxrRlrRxlCx－－－灵敏度：)/ln(2==rRxCk具有良好线性，与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。（三）变介电常数式•因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。图中两平行电极固定不动,电介质以不同深度插入电容器中,从而改变两种介质的极板覆盖面积。•当电容极板之间的介电常数发生变化时，电容量也随之发生变化，根据这一原理可构成变介电常数式电容式传感器。可用以测量物位，含水量及成分分析等。图为变介电常数式电容液位传感器原理图。121120ln2ln2RRxRRxhC）（)(ln2ln20112120RRxRRh1201ln)(2RRk令X＝0时，C＝C0kxCC0ε1：液体介质的介电常数ε0:空气的介电常数；h:电极板的总长度；R2、R1：电极板的内、外径；（四）差动式电容传感器在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。变面积式变气隙式三、测量电路用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有：普通交流电桥、脉冲调制电路、调频电路、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。（一）普通交流电桥电容C、C0和阻抗Z、Z’组成交流电桥测量电路•C：电容传感器的电容•Z´：等效配接阻抗•C0、Z：固定电容、固定阻抗原理ZZUi图3-6普通交流电桥测量电路CC0高频电源交流放大器相敏检波器低通滤波器电桥初始状态调至平衡，当传感器电容C变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的幅值随C而变化。电桥的输出电压：iZZZZZZZUZZU)(21110Z为电容臂阻抗；△Z为传感器电容变化时对应的阻抗增量；Zi为电桥输出端放大器的输入阻抗。（二）调频电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。L—振荡回路的电感；C—振荡回路的总电容C=C1+Ci+C0±ΔC；C1：振荡回路固有电容Ci：传感器引线分布电容C0±ΔC：传感器的电容（三）差动脉冲调度电路工作原理C1、C2：差动式电容传感器电阻R1=R2A1、A2：比较器Q=1→A高电位→C1充电→C电位↑Q=0→B低电位→C2放电→D钳制在低电位当UCUr时，比较器A1翻转，FF翻转→A低电位，B高电位Q=0→A低电位→C1放电→C钳制在低电位Q=1→B高电位→C2充电→D电位↑当UDUr时，比较器A2翻转，FF翻转→A高电位，B低电位在A、B两点输出方波电压UAB。经低通滤波器得到其平均值U0。四、应用1、电容式液位计•棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套电容式液位限位传感器液位限位传感器：当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮2、加速度传感器•图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。(1)加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。(2)利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹美研制了高性能的FMU-152／B联合可编程引信，它可识别不同的介质。碰到目标，测碰击力是否过大，弹头强度是否不足，如是，弹头立即起爆。传感器安装位置3、电容式压力传感器图中所示为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,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。