传感器第4章

第4章电容式传感器4.1传感器的工作原理及类型4.2电容传感器的灵敏度及非线性4.3电容传感器的特性等效电路4.4电容传感器的设计要点4.5电容式传感器的转换电路4.6电容式传感器的应用举例本章要点下页返回4.1电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。1、工作原理由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为sC=——d式中ε--两个极板间介质的介电常数；s--两个极板相对有效面积；d--两个极板间的距离下页上页下页上页由上式可知，改变电容C的方法有三种，其一为改变介质的介电常数ε；其二为改变形成电容的有效面积；其三为改变两个极板间的距离。而得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，这就成了电容式传感器。2、类型根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型，即变极距(或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型。它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。4.1电容式传感器的工作原理及类型4.2电容传感器的灵敏度及非线性这里我们先讨论变极距型的平板电容传感器的灵敏度。假设极板间只有一种介质，如图4-1情况。对单极式电容表达式为：其初始电容值为：当极板距离有一个增量Δd时，则传感器电容为：dsC00dsCCCddsC00)(下页上页灵敏度k为只有比值d/d0很小时才可认为是接近线性关系，这就意味着使用这种形式传感器时，被测量范围不应太大。3200001dddddddCdCk下页上页4.2电容传感器的灵敏度及非线性为在比较大的范围内使用此种传感器，可适当的增大极板间的初始距离d0，以保证比值d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，同时也使电容传感器的初始值减小，寄生电容的干扰作用将增加。常采用差动式电容传感器变面积型和变介电常数型(测厚除外)电容传感器具有很好的线性。但它们的结论都是忽略了边缘效应得到的。实际上由于边缘效应仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。下页上页4.2电容传感器的灵敏度及非线性4.3电容传感器的等效电路4.3.1电容传感器的特点优点缺点4.3.2电容式传感器的等效电路下页上页优点：①温度稳定性好②结构简单、适应性强③动态响应好④可以实现非接触测量，具有平均效应点4.3电容传感器的等效电路下页上页缺点：①输出阻抗高，负载能力差②寄生电容影响大③输出特性非线性4.3电容传感器的等效电路下页上页4.4电容传感器的设计要点4.4.1保证绝缘材料的绝缘性能必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。4.4.2消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。下页上页4.4电容传感器的设计要点4.4.3消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器电容相关联，影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。下页上页4.4电容传感器的设计要点消除和减小寄生电容可采用如下方法：增加原始电容值可减小寄生电容的影响。注意传感器的接地和屏蔽。将传感器与电子线路的前置级(集成化)装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。采用驱动电线技术(也称双层屏蔽等位传输技术)。采用运算放大器法整体屏蔽法。下页上页4.4.4防止和减小外界干扰屏蔽和接地。增加原始电容值以降低容抗。导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。4.4电容传感器的设计要点下页上页4.5电容式传感器的转换电路电容式传感器把被测量转换成电路参数C0，从而使信号能传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，得到所需的测量结果或控制某些设备工作。同时，还根据需要将电路参数C进一步转换成电压、电流、频率等电量参数。目前这样的转换电路种类很多，一般归结为两大类型调制型脉冲型(或称为电容充放电器)下页上页4.5电容式传感器的转换电路4.5.1调制型电路调频电路调幅电路1．交流激励法2.交流电桥电路下页上页4.5电容式传感器的转换电路下页上页4.5.2脉冲型电路脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电。两种性能较好，较常用的电路为双T型充放电网络脉冲调宽型电路4.6电容式传感器的应用举例电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。下页上页4.6电容式传感器的应用举例图4-19差动式电容压力传感器图4-20一种差动式电容测压传感器图4-21电容式加速度传感器结构示意图图4-22电容式料位传感器图4-23电容式振动位移传感器图4-24电容式振动位移传感器应用示意图下页上页第4章本章考点电容式传感器工作原理分类灵敏度及非线性特点及等效电路设计要点转换电路应用结束上页图4-23电容式振动位移传感器结构示意图返回