第5章 电容式传感器

第5章电容式传感器主要内容5.1电容式传感器的工作原理5.2变极距型电容式传感器的非线性5.3电容式传感器的等效电路5.4电容式传感器的信号调节电路5.5电容式传感器的应用电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。特点：结构简单、体积小、分辨率高；可实现非接触式测量；动态响应好；能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。5.1电容式传感器的工作原理0rAACdd＝＝Ard在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。电容式传感器可分为三种：变极板间距离的变极距型改变极板面积的变面积型改变介质介电常数的变介质型电容式传感器的结构(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)125.1.1变面积型电容式传感器电容改变量与水平位移成线性关系dbxaCCCr/)(00bxadxARrxlx（a）平板状（b）筒状02()2(1)1lnlnlxlxlCCxlRRrr0CxCl电容改变量与角位移呈线性关系图6.6角位移测量的变面积型电容式传感器原理图动极板定极板22rA图6.7　计算扇形面积的方法r0(1)AA0000001(1)rCACCCd00CCCC5.1.2变介质型电容式传感器电容增量与被测液位的高度成线性关系002lnHCDd＝00100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnHhhHhhCCCCDDDDDddddd＝＝102(1)lnhCCCDdDdHh15.1.3变极距型电容式传感器000rACd＝000002000111rdCdACCCCdddddd＝CC1C2Od1d2CC1C20d1d2d简化：近似直线关系00000(1)CddCCCdd＝＋00ddCC击穿问题一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。00000ggggCCACddCCgdgd00变极距型电容式传感器的非线性单位输入位移所引起的输出电容量变化与成反比关系00011CddCdd＝23000001CddddCdddd＝00CdCd001CCKdd0d非线性误差非线性误差：2000001CddddCdddd＝%100%1000020dddddd＝差动结构00d1d2C1C2A图6.9平板电容器的差动式结构10011CCdd－20011CCdd30200011ddddddCC＝30200021ddddddCC＝50300021222ddddddCCCC＝2460000021CddddCdddd＝002CdCd%100%1002220030dddddd＝002CCKdd差动的好处灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善002CdCd001CdCd0100%dd20100%dd一、交流电桥当电桥平衡时有：当电容传感器阻抗Z1变化ΔZ时电桥输出电压为：5.2电容式传感器的测量电路将电桥平衡条件带入上式：(1)传感器阻抗相对变化量β(2)桥臂比(3)桥臂系数K为一复数，可表示为：将代入A=αejθ结论：(1)当α=1时，|K|为最大值Km又随θ而变化当θ=0O时，Km=0.25，输出电压与电源同相位；当θ=±90O时，Km=0.5，输出电压与电源发生90O相移；当θ=±180O时，Km→∞，此时电桥发生谐振，输出电压趋于无限大；(2)当α=1时，无论θ为何值φ始终为0，则输出与电源同相位；当α→∞时，φ=φm，并且φm=θ；当θ=0时，则φ=00UsU0UsU0U|1|CRsUKU05.2.1调频电路012012()fLCCC0012012()fffLCCCC鉴频限幅调频振荡器CoL电容式传感器ffu放大u输出U2U2UC1C2oU＋－＋－＋－5.2.2变压器式交流电桥20iUddU22101212ZZZZZ2ZZ2UUUU－＝－＝＋＋120122CCUUCC－＝＋5.2.3运算放大器对平板电容器：输出电压与输入位移间存在线性关系00000011iCUZIIjIjwCwC011xCxxxxxUZIIjIjwCwC00xII00ixCUUC00idCUUA0IiUOiIxIoU－KxC0C5.2.4二极管双T型交流电桥当传感器没有输入时，C1＝C2一个周期内流过负载的平均电流为0当传感器有输入时，C1≠C20122(2)()()LLLRRRUREfCCRRD2D1eC1C2ABR2R1RLR2RLR1I1I2(a)(c)(d)C1C2R1RLR2C1C21I2IEEet1t2tTo(b)EE5.2.5脉冲宽度调制电路1A＋－2A－＋双稳态触发器1C2CQQABMN2R1RD1D20uruAuBuABuMuNururu1T2TAuBuABuMuNururu1T2T0utttttttttt（a)（b)12CC12CCAmuBmu变极距型：变面积型：差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性。12012)ABDCmCCuuuCC＝(00mduud00mAuuA5.3电容式传感器的应用5.3.1电容式压力传感器LHHLLHCCKPPKPCC=（）=外壳金属镀层（定极板）凹形玻璃膜片（动极板）过滤器LCHCLPHP5.3.2电容式位移传感器被测振动体振动平面测端（电极）电容式传感器绝缘衬垫壳体弹簧卡圈电极座弹簧螺母(a)结构(b)应用5.3.3电容式加速度传感器20002CdatCdd002CdCd212Sdat壳体固定电极C1C2输出端d1d2弹簧质量块绝缘垫5.3.4电容式厚度传感器轧辊电容器极板被测带材2C1C