第三章 电容式传感器.ppt

1、第3章电容式传感器。科学技术的不断发展极大地丰富了各种传感器。以压力测量为例，目前常用于测量压力的传感器有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振动圆筒式等。电容、压阻、压电和压磁传感器可以将各种信息转换成电信号。电容器结构简单、性能可靠、成本低廉、参数易变，可广泛用于各种物理量的测试。电容式传感器是以可变参数电容为传感元件，将待测的非电量转化为电容变化，再转化为电信号输出的装置。电容测量技术近年来取得了很大进展。它不仅广泛用于位移、振动、加速度、角度、力、压力、材料和介质特性的精确测量，而且逐渐扩展到用于压差、液位、料位和成分含量的测量。其中，a是极板面积；d是极板之间的距离；是板之间介质的相

2、对介电常数；真空介电常数=8.85 f/m；是板之间介质的介电常数。3.1电容式传感器的工作原理和结构形式。为了便于研究和应用，首先研究了结构原理最简单、应用最多的平板电容传感器。平板电容传感器的基本工作原理可以用图3-1所示的平板电容来说明。图3-1平板电容器，当忽略边缘效应时，平板电容器的电容为、3.1电容式传感器的工作原理和结构形式，在实际应用中，三个参数D、A和A中的两个经常保持不变，而其中一个参数改变则改变电容。因此，电容式传感器可分为三种类型：变板距d的变间隙型、变板面积a的变面积型和介质相对介电常数变化的变介电常数型。图3-2显示了一些电容式传感器的原理结构。其中，图3-2a和b

3、显示了可变间隙电容传感器；图3-2cf是可变面积电容传感器；图3-2g和h示出了可变介电常数电容传感器。3.1电容式传感器的工作原理和结构形式，图3-2几种不同电容式传感器的原理和结构图，3.1.1可变间隙电容式传感器，图3-3是可变间隙电容式传感器的原理图。在图中，1是固定极板，2是与被测物体相连的活动极板。当可移动板由于测量参数的改变而移动时，两个板之间的距离d改变，从而改变两个板之间的电容c。图3-3可变间隙电容式传感器，假设板面积为A，其静态电容为1个固定板2个移动板移动X后的移动板，(3-2)，假设板面积为A，其静态电容为3.1.1可变间隙电容式传感器，当xd，(3图3-4线性位移可

4、变面积电容式传感器，当移动板移动X时，覆盖面积发生变化，电容也发生变化，其值为C=b(ax)/d=bx/d，(3-4)，因位移引起的电容变化为： 3.1.2可变面积电容式传感器，其灵敏度为，见图3-6介电面积变化的电容式传感器和3.1.3介电常数变化的电容式传感器。 当电容式传感器中的电介质发生变化时，其介电常数也会发生变化，从而导致电容的变化。这种传感器有许多结构形式。图3-6是一个中等面积变化的电容式传感器，可用于测量料位或液位以及位移。3.1.3可变介电常数电容传感器，从图3-6中可以看出，此时传感器的电容为，(3-7)，其中，当两个极板之间没有介质时，当介质插入两个极板之间时，电容为，

5、(3-8)，等式(3-8)显示了电容C和位移3.2电容式传感器的等效电路，电容式传感器的性能相对稳定，因为对于大多数电容器，除了在高温高湿下工作外，其损耗通常可以忽略不计，而在低频工作时其电感效应也可以忽略不计。前一节对各种电容传感器的灵敏度和线性度分析是在电容传感器被视为纯电容的情况下进行的，这在大多数实际情况下是允许的。当电容的损耗和电感效应不可忽略时，电容传感器的等效电路如图3-7所示。该图显示了平行损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和极板间的介电损耗。这种损耗的影响在低频时通常更大。随着频率的增加，容抗减小，其影响也减小。串联电阻代表导线的电阻和电容器支架及极板的电阻。当工作在几兆赫频率

6、时，这个值通常很小，并且随着频率的增加而增加。因此，只应在高工作频率下考虑。3.2电容式传感器的等效电路，图3-7电容式传感器的等效电路，以及3.3电容式传感器的信号调整电路由于电容式传感器的电容值变化很小，有必要通过信号调整电路将这一电容值的微小变化转换成与其成正比的电压、电流或频率，以便于传输、显示和记录。3.3.1运算放大器电路，运算放大器电路的最大特点是它能克服可变间隙电容式传感器的非线性，使其输出电压与输入位移(距离变化)成线性关系。图3-8是该电路的原理图，即传感器电容。3.3.1运算放大器电路，现在来找出输出电压和传感器电容之间的关系。如果u0=0，I=0，则存在3.3.1运算放大器电路，(3-11)，其通过求解等式(3-11)、(3-12)获得，并且被代入等式(3-12)、(3-)通常，传感器被包括在电桥中，其由具有稳定频率、稳定振幅和固定波形的低电阻信号源激励。最后，通过电流放大和相敏整流得到DC输出信号。图3-9电桥测量电路a)电路原理图b)变压器电桥电路。从图3-9a可以看出，平衡条件是3.3.2桥测量电路，其中和构成差分电容，和是相应的间隙。如果中心电极移动并且电桥重新平衡，将会有，因此，(3-15)，(3-14)，3.4可以由电容传感器直接测量的非电量是线性位移、角位移和介质(或物位)的几何尺寸，其可以是静态的或动态的，例如