第5章 电容式传感器

第5章电容式传感器11201085.8mF00dCdCK不思考：电容测厚电容串联22110ddAC111211N()CCC灵敏度与厚度比之间的关系ab⊿a（长）（宽）长长宽ba2d电容串联三种电容传感器均可以测量位移CA和CB并联CpCp寄生电容等电容式传感器的特点优点：1.结构简单、适应性强2.动态响应好3.可以实现非接触测量缺点：1.输出阻抗高、负载能力差（几十pF—几百pF）2.功率小，易受干扰2.寄生电容影响大、稳定性差（1—2m导线可达800pF的寄生电容）输出与极距变化为线性关系输出与极距变化为线性关系路级适合于电容较大的场合具体计算请参见《传感器原理与应用》单成祥等编著，国防工业出版社2006，第一版•本章小结•电容容量通过改变其中的一个参数使电容值发生变化，这就是电容传感器的工作原理。引起电容变化的原因不同，电容传感器分为变极距型、变面积型和变介质型三种不同的电容传感器。电容传感器存在的问题：等效电路、边缘效应、寄生电容和温度特性。因而需要采取相应的措施。电容值发生变化需要测量电路检测，检测电路主要有耦合式电感桥、双T二极管交流电桥、脉冲调宽电路、调频电路、运算放大电路等。电容传感器应用：位移测量、加速度测量、厚度测量、液位测量、压力测量、力测量、振动测量等。注：电容式传感器受结构尺寸的限制，其电容量都很小（几皮法到几十皮法），属于小功率、高阻抗器件，极易受到外界干扰。电容传感器的引线长度发生变化，电容传感器的灵敏度需要重新标定。•例题1.已知：平板电容传感器极板间介质为空气，极板面积S=a×a=(2×2)=4cm2，极距d0=0.1mm。试求传感器初始电容值；若装配问题，两极板不平行，一侧为d0，另一侧为d0+b(b=0.01mm)，求此时传感器的电容值。bd0解：初始电容值式中；两极板不平行时的电容值pFdsdscr37.3501.06.322000cmpF/6.3101r)1ln()(0200000000dbbadxabdxabdbaaxabdadxCraarrpF7.33)101.0001.0ln(001.06.3222.变间距型电容传感器，当时d0=1mm，若要求测量非线性度为0.1%，求允许间距测量变化量是多少？解：当变极距型平板电容传感器的，其线性度表达式为由题意，得即测量允许变化量mmd001.01dd%1000ddL%1001%1.0d3.圆形金属容器中心放置一个带绝缘套管的圆柱形电极用来测量介质液位。绝缘材料相对介电常数为，被测液体相对介电常数为，液面上方气体相对介电常数为，电极各部位尺寸如图所示，并忽略底面电容。求：当被测液体为导体及非导体时，分别推导出传感器特性方程CH=f(H)。解：根据题意划出该测量系统等效电路图123e1e3e2C3C4C1C2CHD1LHdDCH其中C1和C3分别为绝缘套在电极上下两部分形成的电容，C2为液面上方气体在容器壁与绝缘套管外表间形成的电容，C4为液体在容器壁与绝缘套管外表面间的电容。根据同心圆筒电容计算公式可得电容分别为真空介电常数)/ln(8.1)(111dDHLC)/(6.31)/(10941110cmpFcmF)/ln(8.1)(132DDHLC)/ln(8.1113dDHC)/ln(8.1124DDHC当被测液体是非导体时当被液体是导体时4321////CCCCCHHBACH11321//CCCCHHBACH224.现有一只电容式位移传感器如图所示。已知：L=25mm，R=6mm，r=4.5mm。其中圆柱C为内电极，A、B圆筒为两个外电极，D为屏蔽套筒。C、B构成一个固定电容CF，C、A构成一个随屏蔽套筒位移运动的可变电容CX，采用理想运放检测电路，信号源电压有效值U=6V。（1）要求运放输出电压USC与输入位移x成线性关系，画出CF、CX在检测电路中的位置（2）求该电容传感器得输出电容—位移灵敏度Kc（3）求该测量变换系统输出电压—位移灵敏度KV（4）固定电容的作用是什么？⊿xABRrDLLC解：为了Usc=f(x)满足线性关系，将CF接入反馈回路，CX接在输入回路，则USRUscCxCFFXXFSRscCCZZUUpFrRLCrF83.4)5.4/6ln(8.15.21)/ln(8.1)/ln(8.1)(rRxLCrXCX与x成线性关系，因此输出电压USC也与x成线性关系（2）由求其电容—位移灵敏度，得（3）电压—位移灵敏度为)/ln(8.1)(rRCxLUUCCUFrSRSRFXSC)/ln(8.1)(rRxLCrXdxdCXmmpFrRdxdCrX/19.0)5.4/6ln(8.11)/ln(8.1dxdUSCmmVrRCUdxdUrFSRSC/4.2)5.4/6ln(8.1183.46)/ln(8.1（4）CF为参比测量电容，CX0因为与CF完全相同，可以起到补偿作用，提高测量精度。