第4章-电容传感器及测量电路

1第四章电容传感器2电容传感器：被测物理量变化导致传感器的电容量变化通过测量电容量的变化——实现非电物理量的电测量34.1电容式传感器的工作原理和结构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)14(0dSdScr式中:C——电容量，F(法拉）ε——电容极板间介质的介电常数,ε=ε0·εr,ε0——为真空介电常数,εr——为极板间介质相对介电常数;S——两平行板所覆盖的面积（m2）;d——两平行板之间的距离(m)。4对电容有影响的参数——有效面积S、间距d，相对介电常数εr当被测参数变化使得式（4-1）中的S、d或ε（εr）发变化时,电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。因此,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。5一、变面积（S）型改变平板电容器有效截面积的方法：直线位移角位移（旋转）61.角位移式当动极板有一个角位移θ时,动极板与定极板间的有效面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。收音机中的调谐电容就是这种形式7当θ=0时,两平板之间的有效面积为S。当旋转θ角时。对于图4-1（a）所示结构的平板电容器，有效面积变为)24()()1(FdSdSC)1(SS电容量变为电容量Cθ与角位移量θ——线性比例,θ增大，电容量Cθ变小8灵敏度dSddCK灵敏度与角位移无关——对于某个具体的变角位移电容传感器，S、d、ε是常数——灵敏度是常数。92.直线位移型当动片1相对于定片2有一直线位移x时,两极板之间的有效面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。10在初始位置，动片与定片无相对位移，有效面积)44()()(FdxabdSCXX)(xabSX电容量变为电容量CX与位移量x——线性比例,x增大，电容量CX变小baS动片移动x,有效面积11灵敏度)54(dbdxdCKxx灵敏度与位移x无关——对于某个具体的变角位移电容传感器，b、d、ε是常数——灵敏度是常数。12二、变介质介电常数（ε）型不同的电介质——具有不同的介电常数ε变介质——常用于测液体容量（例如飞机油箱的油量）液位高低也可用于检测片状（薄膜）电介质的厚度131.电容测液位对于该图所示电容液位计高度为h1的一部分液位计)64()/ln(2111rRhC总电容相当于C1、C2并联高度为h2的一部分)74()/ln(2222rRhCC2C1C214故总电容我们需要检测的是h1)84()/ln()(2)/ln(2)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln(2112122111221121BhAhrRrRhrRhhrRhrRhrRhCCC152.电容测厚待测电介质厚度为d0,平板电容传感器两极板间距d待测电介质厚度为d1,平板电容传感器两极板间距d基本间的空气介质厚度d0=d-d1)74()/ln(2222rRhC16对于该结构，可以认为是由空气介质、电介质构成的两个电容C0，C1串联C可以方便的测量，电介质厚度d1也就可以测量101001dSCdSCr)104()11(101010ddSCCCCCr可以得出总的电容C为：17三、变极板距离(d)型图4-4为变极距型电容式传感器的原理图。0000dSdScr当传感器的εr和S为常数,初始极距为d0时,由式（4-1）可知其初始电容量C0为18若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δx,电容量增大ΔC,则有2020000000)(1111dxdxCdxCdxdSxdSdSCx由该式可知,传感器的输出特性Cx=f(Δx)不是线性的。由于1)(20dx)124()1(00dxCCx19在d0较小时,对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大,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,同时对制造和使用要求也提高。为解决间隙小而造成的耐压低问题，可以在极板间使用特殊的绝缘材料，例如云母、聚酰亚胺等20一般变极板间距离电容式传感器：起始电容在20～100pF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,这类传感器在微位移测量中应用最广。21单电容传感器的特点优点：结构简单缺点：线性度低、灵敏度低22四、差动电容传感器单电容传感器：具有结构简单的优点缺点：线性度低、灵敏度低差动电容传感器可以提高线性度和灵敏度。差动电容传感器有两种结构变间距d变面积S231.变间距d将两个边检举行电容传感器组合构成中间基板上下移动。（1）初始位置：000021dSdSCCCr中间基板上下移动。d1与d2一个增加一个减小上下两个极板与中间极板构成的电容其电容量一个增加一个减小——差动24（2）上移差动输出XdSC01XdSC02200021)(12dXdXCXdSXdSCCCd1=d-|△x|,d2=d1=d+|△x|,25对于电容传感器，ΔX相对于d比较小（小于1/10）灵敏度增加了输出量ΔC与位移量ΔX近似为线性关系。dXCCdX02126（3）下移差动输出XdSC01XdSC02200021)(12dXdXCXdSXdSCCCd1=d+|△x|,d2=d1=d-|△x|,27对于电容传感器，ΔX相对于d比较小（小于1/10）当考虑△x量，上移大于0，下移小于0，则dXCCdX0221)(灵敏度增加了输出量ΔC与位移量ΔX近似为线性关系。dXCdxdxCC0202)(122282.变有效面积S两个圆筒形电容器内电极上下移动（1）初始位置（2）上移（3）下移121122rhSrhS中间圆筒电极与上下两个外圆筒的间隙很小，有效面积可以按照2r计算29第二节测量电路电容传感器的输出电容值：几皮乏~几十皮乏通过测量电路进行测量30一、测量电桥1.单臂桥C1C2CXC3UUO（1）初始状态CX=C3=CUO=0BA31（2）工作状态:C=C-ΔCUCCCCUCCCUCjCjCjUXXXA2111333UUB21UCCCUCCCCUUUBAO)2(2)212(UCCUCCCCCO42232（3）工作状态:C=C+ΔCUCCCCUCCCUCjCjCjUXXXA2111333UUB21UCCCUCCCCUUUBAO)2(2)212(UCCUCCCCCO422332.差动桥C1、C2为差动电容（1）初始状态C11=C2=C（2）工作状态C1=C+ΔCC2=C-ΔC（3）工作状态C1=C-ΔCC2=C+ΔC34（2）工作状态:C1=C+ΔC,C2=C-ΔC这里的激励信号为单臂桥的2倍（2U），如果还是按照单臂桥的激励信号为U，则信号增强了1倍电容变化与UO变化的非线性被消除UCCCUCCCUCjCjCjUA22111211212UUBUCCUCCCUUUBAO)1(35（3）工作状态:C1=C-ΔC,C2=C+ΔC这里的激励信号为单臂桥的2倍（2U），如果还是按照单臂桥的激励信号为U，则信号增强了1倍电容变化与UO变化的非线性被消除UCCCUCCCUCjCjCjUA22111211212UUBUCCUCCCUUUBAO)1(363，紧耦合桥（1）初始状态（2）C1=C+ΔC，C2=C-ΔC（3）C1=C-ΔC，C2=C+ΔCMC2C1ACUONNL0L0EBUOZ1Z2ZSZSZPUACDEB37二、差动脉冲调制电路一种电路原理如图R=1,S=1，维持，R=1,S=0置1，R=0,S=1清零，R=0,S=0输出不确定ABR1R2C1C2D2D1QQSRA1A1++--ufMN双稳态触发器UO38应该是这样的ABR1R2C1C2D2D1QQSRA1A1++--ufMN双稳态触发器UO39三、电容调频电路公式LCf211.工作状态初始状态，△C=0，振荡频率f=f0工作时，由于电容变化振荡频率变化通过检测频率，来测量电容的变化……40四、运算放大器测量电路教材P.70自己看一下。