傳感器原理及工程應(yīng)用 第5章1w

5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)由絕緣介質(zhì)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(yīng),其電容量為第5章電容式傳感器電容式傳感器分為變極距、變面積和變介質(zhì)三種類型。傳感器的εr和S為常數(shù),初始極距為d0時,C0為5.1.1變極距型電容傳感器圖為變極距型電容式傳感器的原理圖。der若極板間距離由初始值d0縮小Δd,電容量增大ΔC,則有在d0小時,同樣的Δd變化引起的ΔC大,傳感器靈敏度高。采用高介電常數(shù)的材料時C為dge0egd0云母片相對介電常數(shù)是空氣7倍,擊穿電壓為空氣的333倍。且(dg/ε0εg)恒定,使傳感器輸出特性的線性度改善變極距電容式傳感器起始電容在20～100pF,極距在25～200μm,最大位移應(yīng)小于間距的1/10,用于微位移測量。傳感器輸出特性C=f(d)不是線性關(guān)系,而是雙曲線關(guān)系。變極距電容傳感器只在Δd/d0很小時,才有近似線性輸出xbaDxdS變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。5.1.2變面積型電容式傳感器傳感器其電容量C與水平位移Δx是線性關(guān)系q電容式角位移傳感器原理圖.傳感器的電容量C與θ呈線性關(guān)系。當(dāng)θ=0時:C0=ε0εrpS0/d=ε0εrpr/d左圖是一種測量液位高低的變極板間介質(zhì)的電容式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖5.1.3變介質(zhì)型電容式傳感器

設(shè)被測介質(zhì)介電常數(shù)為ε1,空氣為ε0,液面高度為h,總高度為H,內(nèi)筒外徑為d,外筒內(nèi)徑為D,變換器電容值為變換器的電容增量正比于被測液位高度h。變介質(zhì)型電容傳感器可測厚度,也可測非導(dǎo)電固體濕度若電介質(zhì)εr1=1,當(dāng)L=0時,傳感器初始電容C0=ε0L0b0/d0圖示一種常用的結(jié)構(gòu)型式。相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)傳感器總電容量C為電容的變化與電介質(zhì)εr2的移動量L呈線性關(guān)系。介質(zhì)進入極間L電容的相對變化為除變極距型電容傳感器外,其它幾種形式傳感器的輸入量與輸出電容量之間的關(guān)系均為線性的,故只討論變極距型平板電容傳感器的靈敏度及非線性當(dāng)時，得5.2電容式傳感器的靈敏度及非線性可知,電容的相對變化量為相對變化量ΔC/C與輸入位移Δd之間呈非線性關(guān)系。電容傳感器的靈敏度為單位輸入位移引起輸出電容相對變化大小與d0呈反比關(guān)系因Δd/d0<<1時，可得到近似的線性如果考慮線性項與二次項,則傳感器的相對非線性誤差δ為減小起始間隙d0，可提高靈敏度。但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。為了提高靈敏度,減小非線性誤差,常采用差動式結(jié)構(gòu)圖是變極距型差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。因Δd/d0<<1時,則按級數(shù)展開:在差動式平板電容器中,當(dāng)動極板位移Δd時,電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-Δd,電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+Δd,則電容值總的變化量為電容值相對變化量為電容式傳感器的相對非線性誤差δ近似為差動式電容傳感器靈敏度提高一倍,非線性誤差大大降低靈敏度近似為測量電路檢出微小電容增量,并轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。5.3電容式傳感器的測量電路電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路一部分5.3.1調(diào)頻測量電路輸入量導(dǎo)致電容量變化時,振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。頻率可作為測量系統(tǒng)的輸出量,判斷被測非電量的大小。系統(tǒng)是非線性的,不易校正,加入鑒頻器,將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化,經(jīng)過放大用儀器指示或記錄儀記錄。C=C1+C2+C0±ΔC調(diào)頻測量電路原理框圖如圖圖中調(diào)頻振蕩器振蕩頻率為當(dāng)被測信號為0時,ΔC=0,則C=C1+C2+C0,所以振蕩器有一個固有頻率f0,當(dāng)被測信號不為0時,ΔC≠0,振蕩器頻率相應(yīng)變化,頻率為較高靈敏度,可測至0.01μm級位移。易于用數(shù)字儀器測量和與計算機通訊,抗干擾能力強,可發(fā)、收實現(xiàn)遙測遙控。運算放大器的放大倍數(shù)K非常大,而且輸入阻抗Zi很高。5.3.2運算放大器式電路電容式傳感器理想測量電路運算放大器式電路原理圖。由運算放大器工作原理可得若傳感器是一只平板電容,則Cx=εS/d,有式中“-”號表示