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第4章电容式传感器 4 1电容式传感器工作原理及分类4 2测量电路4 3电容式传感器的应用1F 106 F 109nF 1012pF 电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器 它具有结构简单 分辨率高 抗过载能力大 动态特性好 且能在高温 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作 电容式传感器可用于测量压力 位移 振动 液位 厚度 4 1电容式传感器工作原理 C S d 0 r S d 0 rC为电容 0 8 85 10 12F m r为相对介电常数用S为极板相对覆盖面积m2d为极板间距电容式传感器分为变面积式 变间隙式 变介电常数式三大类 其中变面积式可分为直线位移式 角位移式 变介电常数式可分为平面介电常数式 圆筒介电常数式 4 1电容式传感器工作原理 4 1 1变面积式电容传感器变面积式电容传感器的两个极板中 一个是固定不动的 称为定极板 另一个是可移动的 称为动极板 1 直线位移式电容的相对变化量和灵敏度为为提高测量精度 也常用如图4 3所示的结构形式 以减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差 图4 2变面积型电容传感器原理图 图4 3中间极板移动变面积式电容传感器原理图 4 1电容式传感器工作原理 2 角位移式当被测的变化量使动极板有一角位移q时 两极板间互相覆盖的面积被改变 从而改变两极板间的电容量C 图4 4角位移式电容传感器原理图 图4 5差动角位移式电容传感器原理图 在实际应用中 也采用差动结构 以提高灵敏度 角位移测量用的差动式结构如图4 5所示 4 1 2变间隙式电容传感器基本结构电容的相对变化量和灵敏度分别为差动式电容的相对变化量和灵敏度分别为与基本结构间隙式传感器相比 差动式传感器的非线性误差减少了一个数量级 而且提高了测量灵敏度 所以在实际应用中被较多采用 图4 6基本的变间隙式电容传感器 图4 7差动结构的变间隙电容传感器 4 1 3变介电常数式电容传感器1 平面式电容变化量DC与位移Dx呈线性关系 若被测介质的介电常数ex已知 测出输出电容C的值 可求出待测材料的厚度x 若厚度x已知 测出输出电容C的值 也可求出待测材料的介电常数ex 因此 可将此传感器用作介电常数ex测量仪 图4 8平面式测位移传感器 图4 9测厚仪 2 圆柱式电介质电容器大多采用圆柱式 其基本结构如图4 10所示 内外筒为两个同心圆筒 分别作为电容的两个极 如图4 11所示为一种电容式液面计的原理图 在介电常数为ex的被测液体中 放入该圆柱式电容器 液体上面气体的介电常数为e 液体浸没电极的高度就是被测量x 液面计的输出电容C与液面高度x成线性关系 图4 10圆柱式电容器结构图 图4 11电容式液面计 4 2测量电路 4 2 1调幅型电路1 交流电桥电路 1 单臂桥式电路 2 差动接法变压器交流电桥电路 图4 12单臂接法交流电桥电路 图4 13变压器交流电桥电路 2 运算放大器式测量电路理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为采用基本运算放大器的最大特点是电路输出电压与电容传感器的极距成正比 使基本变间隙式电容传感器的输出特性具有线性特性 图4 14运算放大器式测量电路 图4 15调零电路 4 2 2差动脉冲宽度调制电路电路的工作原理 利用传感器电容充放电 使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而变化 再通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号 图4 16差动脉冲宽度调制电路 a C1 C2 b C1 C2图4 17电路各点的充放电波形 当电阻R1 R2 R时 则有由此可知 差动脉冲宽度调制型电路 其输出电压与电容变化成线性关系 4 2 3调频电路1 载波频率改变的调幅调频式该测量电路把电容式传感器与一个电感元件配合 构成一个振荡器谐振电路 当传感器工作时 电容量发生变化 导致振荡频率产生相应的变化 再经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化 经放大器放大后即可显示 这种方法称为调频法 调频振荡器的振荡频率 图4 18调频 鉴频电路原理图 4 3实际中存在的问题及其解决办法 1 温度影响应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板 如铁镍合金 此外 应采用差动对称结构 在测量电路中加以补偿 极板支承架应选择绝缘性能良好的材料 如陶瓷 石英等高绝缘电阻 低吸湿性材料 图4 19极板周边加装同心圆环示意图 2 电场的边缘效应增加极板面积和减小极间距离可减小边缘效应的影响 当检测精度要求很高时 可考虑加装等位环 如图4 19所示 即在极板周边外围的同一平面上加装一个同心圆环 致使极板周边极间电场分布均匀 以消除边缘效应的影响 3 寄生电容的影响 1 减小引线长度 2 屏蔽 4 4电容式传感器的应用 1 电容式位移传感器采用了差动式结构 当测量杆随被测位移运动而带动活动电极位移时 导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化 其电容量也相应产生变化 图4 20变面积式位移传感器结构图 2 电容式压力传感器该压力传感器可用于测量微小压差 3 电容测厚仪电容测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器 在板材轧制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况 图4 21差动电容式压力传感器原理图 图4 22电容测厚仪工作原理 小结变电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器 它具有结构简单 分辨率高 抗过载能力大 动态特性好等优点 且能在高温 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作 只要固定平行板电容器3个参量d S e中的两个 只要另外一个参数改变 则电容量就将产生变化 所以电容式传感器可以分成3种类型 变面积式 变间隙式与变介电常数式 电容传感器的输出电容值一般十分微小 几乎都在几皮法至几十皮法之间 因而必须借助于一些测量电路 将微小的电容