教案項目電容式傳感器精品資料

1、3.2 電容式傳感器電容式傳感器的工作原理由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為CSd當被測參數(shù)變化使得S、d 或 發(fā)生變化時，電容量C 也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。1變間隙型電容傳感器Adr變間隙式電容式傳感器當傳感器的 r 和 S為常數(shù)，初始極距為d0 時，初始電容量C0 為0r SC0d0若電容器極板間距離由初始值d0 縮小了CC0C在式中，若d/ d0<<1 時，則展成級數(shù)：d，

2、電容量增大了C0r SC0d0d1ddCC0 12dd30ddC0 1d0d0d0d0此時 C與d 近似呈線性關系， 所以變極距型電容式傳感器只有在d/ d0很小時，才有近似的線性關系。另外，在 d0 較小時，對于同樣的d 變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但 d0 過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質, 如圖所示，此時電容 C 變?yōu)椋篊Sd0d g0g0式中： g云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)， 0=1；d0空氣隙厚度；dg云母片的厚度。gd g0d 0放置云母片的電容器云母片的相對介電常數(shù)是空氣的 7 倍，

3、其擊穿電壓不小于 1000 kV/mm，而空氣僅為 3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF 之間， 極板間距離在25200 m 的范圍內。最大位移應小于間距的1/10 ， 故在微位移測量中應用最廣。2被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積電容量的變化。當動極板相對于定極板沿長度方向平移變化量為0rx bCCC0d式中 C0=0 rba/ d 為初始電容。電容相對變化量為CxC0aS 改變，從而得到x 時，則電容adbxS這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x 呈線性關系xDd直線位移型電容傳感器原理圖3此時變換器電容

4、值為：Hh1電容式液位變換器結構原理圖21h 21( H h) 2 H 2 h( 1 )2 h( 1 )C1n D1n D1n DC01nD1n Dddddd式中：C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即2HC0D1nd可見：此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。電容式傳感器的測量電路1運算放大器由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大， 而且輸入阻抗 Zi 很高 , 運算放大器的這一特點可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。如圖所示。由運算放大器工作原理可得：U oCC xU i如果傳感器是一只平板電容，則Cx=S/ d，代入，可得U oU iC Sd式中 “” 號表示輸出電壓 Uo 的相位與

5、電源電壓反相。 可見運算放大器的輸出電壓與極板間距離 d 成線性關系。運算放大器式電路雖解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題， 注意條件 ：要求 Zi 及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓i 的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。UCxI cxI cbCI i?AU iU o運算放大器式電路原理圖2二極管雙 T 交流電橋e 是高頻電源，它提供了幅值為U的對稱方波， VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R， C1、 C2 為傳感器的兩個差動電容。V D2BR 2V D1AR 1eC1C2RL(a)R 1R 2R1R2?UI2C2?UC 1I1RLC 1I1RL

6、I 2C2?(b)(c)二極管雙 T 交流電橋當傳感器沒有輸入時， C1=C2。電路工作原理：當 e 為正半周時，二極管VD1導通、 VD2截止，于是電容 C1 充電，其等效電路如圖（b）所示；在隨后負半周出現(xiàn)時，電容C1上的電荷通過電阻 R1，負載電阻 RL 放電，流過 RL 的電流為 I 1。當 e 為負半周時， VD2導通、 VD1截止，則電容C2 充電，其等效電路如圖（ c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時，C2 通過電阻 R2，負載電阻L 放電，流過L 的電流為I2 。RR電流 I 1=I 2，且方向相反，在一個周期內流過RL 的平均電流為零。若傳感器輸入不為 0，則 C1 C2, I1 I

7、 2, 此時在一個周期內通過RL 上的平均電流不為零，因此產生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內平均值為U oI LRL1TI 2 (t ) dtRLT I 1 (t)0R( R2RL )(RRL )RLUf (C1 C2 )式中 ,f 為電源頻率。當 RL 已知，式中R(R2RL )(RRL)2RLM (常數(shù))則上式可改寫為U oUfM (C1C2 )可知，輸出電壓 Uo 不僅與電源電壓幅值和頻率有關，而且與的電容 C1 和 C2 的差值有關。當電源電壓確定后，輸出電壓T 形網(wǎng)絡中Uo 是電容C1 和 C2 的函數(shù)。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關，故輸入電源要求穩(wěn)定。3調頻電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分 , 當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化?？?/p>