第四章電容式傳感器

第4章電容式傳感器2023/7/71引言電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈震動(dòng)等惡劣條件下工作。很有發(fā)展前途的傳感器。2023/7/724.1電容式傳感器工作原理由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式3種類型。 2023/7/734.1變面積式電容傳感器面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距、介質(zhì)等保持不變，被測量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為動(dòng)極板。2023/7/74面積變化型電容傳感器原理1.直線位移型2023/7/75面積變化型電容傳感器原理2.角位移型2023/7/76電容改變量與角位移呈線性關(guān)系面積變化型電容傳感器原理3.圓筒型2023/7/784.1.2變極距式電容傳感器當(dāng)改變電容器兩極板間的距離時(shí)，電容器的電容也會(huì)發(fā)生變化。2023/7/79簡化：近似直線關(guān)系擊穿問題一般極板間距在25～200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于微位移測量。差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式提高測量精度，減少動(dòng)極板與定極板之間的相對極距可能變化而引起的測量誤差。2023/7/712差動(dòng)的好處靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善4.1.3變介質(zhì)式電容傳感器介質(zhì)變化型電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。主要用來測量兩極板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。2023/7/714介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)1.位移型2023/7/715介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)2.液位型2023/7/716變介質(zhì)型電容式傳感器電容增量與被測液位的高度成線性關(guān)系結(jié)論傳感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面h成線性關(guān)系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。2023/7/718

當(dāng)電容傳感器處于初始位置時(shí)，電橋平衡，電橋輸出電壓

；當(dāng)被測量的變化引起電容傳感器的電容發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，電橋有電壓輸出，即

。4.2電容式傳感器的測量電路常用電路有:電橋電路、運(yùn)算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。1.電橋電路。

2023/7/7194.2電容式傳感器的測量電路1.電橋電路

為了提高靈敏度，減小誤差，常采用差動(dòng)形式，其電路如圖所示。Cx1和Cx2表示差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)電容。2023/7/720

變壓器式交流電橋4.2電容式傳感器的測量電路1.電橋電路--電橋測量電路框圖2023/7/7224.2電容式傳感器的測量電路2.二極管雙T形交流電橋二極管雙T形交流電橋電路原理如圖4-12所示。圖中，C1、C2為差動(dòng)電容式傳感器的電容，RL為負(fù)載電阻，VD1、VD2為理想二極管，R1、R2為固定電阻；e為高頻電源，它提供幅值為Ue的對稱方波。

2023/7/723二極管雙T型交流電橋當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，

C1＝C2一個(gè)周期內(nèi)流過負(fù)載的平均電流為0當(dāng)傳感器有輸入時(shí)，C1?。紺24.2電容式傳感器的測量電路3.運(yùn)算放大器式測量電路

運(yùn)算放大器的特點(diǎn)就是放大倍數(shù)A很大，輸入阻抗也很大。理想的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗都是無窮大。利用運(yùn)算放大器的這些特點(diǎn)就可作為電容式傳感器的測量電路，來解決單個(gè)變極距式電容器傳感器的非線性問題。運(yùn)算放大器式測量電路如圖所示。圖中，C為總的輸入電容，Cx是電容傳感器。2023/7/725運(yùn)算放大器對平板電容器：

輸出電壓與輸入位移間存在線性關(guān)系

4.2電容式傳感器的測量電路4.調(diào)頻電路:把電容式傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分，其部分電路如圖所示。當(dāng)被測量引起電容量變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化，然后通過鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅值的變化，再經(jīng)過放大后就可以通過儀表顯示出來。

調(diào)頻電路具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量。易于用數(shù)字儀器測量，并能與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。2023/7/727調(diào)頻電路4.2電容式傳感器的測量電路5.諧振電路:振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號通過L1、C1回路選頻，再通過電感耦合到LCx諧振回路。當(dāng)傳感器電容Cx發(fā)生變化時(shí)，則引起諧振回路阻抗的變化，而這個(gè)變化會(huì)使整流器的電流發(fā)生變化。變化的電流再經(jīng)放大器放大后就可通過儀表顯示被測量的變化。

諧振電路的靈敏度較高，但工作點(diǎn)不易選擇，變化范圍較窄。2023/7/7294.2電容式傳感器的測量電路6.脈沖寬度調(diào)制電路

2023/7/730脈沖寬度調(diào)制電路變極距型：變面積型：差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路適用于變極板距離和變面積式差動(dòng)電容傳感器，且為線性特性。4.3電容式傳感器的誤差及制作要求4.3.1電容式傳感器的誤差因素1.溫度的影響3.寄生電容的影響2.漏電阻的影響2023/7/7334.3電容式傳感器的誤差及制作要求4.3.2電容式傳感器的制作要求1）傳感器的電容值要盡量的大些。目的在于降低輸出阻抗及對絕緣材料的要求，提高靈敏度。（2）要采用介電常數(shù)大的電介質(zhì)材料。（3）要選用膨脹系數(shù)小的材料作為電極。目的在于減小溫度附加誤差。（4）要求電源的頻率不應(yīng)過低。目的在于減小輸出阻抗，提高靈敏度。一般不應(yīng)小于500～1000Hz。（5）要求傳感器及引線要采用屏蔽措施。目的在于消除寄生電容的影響，提高靈敏度。2023/7/7344.4電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度及荷重等機(jī)械量的精密測量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測量。2023/7/7354.4.1電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是將由被測壓力引起的彈性元件的位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓瘉韺?shí)現(xiàn)測量的。2023/7/7364.4.2電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器是將被測物的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電容量變化，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-19所示2023/7/7374.4.3電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器是通過改變傳感器中電介質(zhì)的介電常數(shù)，從而引起電容量的變化來實(shí)現(xiàn)測量的。2023/7/7384.4.4電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器是利用彈性元件的變形，致使電容隨外加載荷的變化而變化。2023/7/7394.4.5電容式厚度傳感器1.電容式測厚儀2023/7/7404.4.5電容式厚度傳感器2.電容式厚度傳感器2023/7/7414.4.6電容式位移傳感器電容式位移傳感器就是通過改變電容器極板間的距離引起電容量的變化來實(shí)現(xiàn)測量的。通常采用的是一種單極變極距式。2023/7/7424.5電容柵式傳感器電容柵式傳感器是在電容式傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳感器。它具有電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然它也有其自身的特點(diǎn)，如抗干擾能力強(qiáng)、精度高和量程大等特點(diǎn)。2023/7/7434.5.1基本類型及原理1.基本類型及原理2023/7/7444.5.1基本類型及原理2.電容柵極片的結(jié)構(gòu)形式（a）動(dòng)尺2023/7/7454.5.2測量電路電容柵式傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相式測量電路，以得到