第3章电容式传感器

第三篇非电量测量第3章电容式传感器第三章电容式传感器本章重要介绍以下几个内容:1、传感器的原理和结构类型2、电容传感器的转换电路3、电容传感器的性能4、电容传感器的实际应用重点是掌握电容传感器原理，会分析测量电路，熟悉传感器在参数检测中的应用。第三章电容式传感器3.1工作原理)(6.30pFdSdSdSCrr第三章电容式传感器结构类型1、变面积型电容传感器1、变面积型电容传感器第三章电容式传感器)(6.300pFdSCr)(/16.3/100pFCdSCr)(/16.300pFaxCdxabCrx第三章电容式传感器2.变介电常数型电容传感器变介质电容测液位实例rRhhrRhCln2ln221221rRhCln2112rRhrRhrRhhrRhCCCln2ln2ln2ln2211221211200111100110010106.36.36.36.36.3ddSdSdSdSdSCCCCC第三章电容式传感器3、变极距型电容式传感器变极距电容原理变极距型输出特性曲线如图为了提高传感器的灵敏度，减小初始极间距，在两极板之间加绝缘介质（如云母片），提高耐击穿电压。如图dSCr6.3)(6.300pFdSCr00000011)1(6.3)(6.3ddCdddSddSCCrr0001ddddCC30200001ddddddddCC10dd00ddCC%1000020dddddd若，忽略高次项，得（线性关系）非线性误差位移变化量为0.1，则δ=10%，因此适用于微小位移的测量。为了提高灵敏度，减小非线性误差，一般做成差动式结构如图所示。30200011ddddddCC30200021ddddddCC50300022221ddddddCCCC002ddCC%10020030dddddd设动片上移Δd，则C1增大，C2减小灵敏度提高一倍，非线性误差减少一个数量级。差动变极距电容传感器测金属厚度实例3.2电容式传感器的测量电路1、等效电路LCRCRjCRRRCjRCjRLjRZPPPPSPPSC22222221111e21CCLCLCjCje113.2电容式传感器的测量电路2、测量电路（1）桥式电路1).交流不平衡电桥EZZZZZZEZZZZZZZZUZZZZZZZZUZZZZSCSC22121143212114332113241111令EZZAAUZZASC12211,则cos12sin1arctancos21,122122212121aaaaaaKkafkeAAKaeeZeZZZAjjjj结论：1.当a=1,k有最大值课km2.Km随θ而变化θ＝0时，km＝0.25θ＝90时，km＝0.5θ＝180时，km＝∞3、脉冲宽度调制电路rxrxOUUUCRTUUUCRTTTTTUU112221111121211lnln12o112xxxxCCUUCCrxrxscUUUCRTUUUCRTTTTTUU112221111121211lnln(3)差动脉宽调制电路11111xTrCReUU（4）运算放大器电路xOcjUcjU101o1/(j)1/(j)xxCCUUUCCdSCUUdSCOx代入上式，得将（5）环行二极管冲放电法121EECqd122EECqX1221EECCqqqXd高频方波E1上升到E2A－VD1—CX—地A.电流表—VD3—地高频方波E2下降到E1CX－VD2—电流表—ACd—VD4—AXdCCEffqI第三章电容式传感器3.3电容式传感器的主要性能、特点1、主要性能静态灵敏度、非线性2、特点结构简单、适应性强；动态响应好；分辨率高；温度稳定性好；可实现非接触式测量、具有平均效应。不足之处是输出阻抗高，负载能力差等。3、误差分析1）温度对结构尺寸的影响（结构设计补偿）2）电容电场的边缘效应增大初始电容量加装等电位环3）寄生与分布电容的影响静电屏蔽措施驱动电缆技术：屏蔽层电位跟踪与电缆相连的传感器电容极板电位器第三章电容式传感器变面积式压力传感器3.4电容式传感器的应用1、电容式压力传感器电容式差压传感器(变极距）第三章电容式传感器荷重传感器第三章电容式传感器2、电容式加速度传感器电容加速度传感器实例第三章电容式传感器3、电容式测厚传感器第三章电容式传感器4、电容式液位传感器5、电容式温度传感器该种传感器是属于变介质型电容传感器，主要利用电容器的中间介质的介电常数随温度变化而改变的原理进行测量。以BaSrTiO3为主的陶瓷电容器，其介电常数在温度超过居里点之后，会随着温度的上升成反比的下降，如图所示。若将这种电容器与电感组成谐振回路，则其谐振频率会有规律地随温度变化。用频率计测出其频率，经过换算可求得温度。