第五章 电容式传感器

第五章电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。特点：结构简单，体积小，可实现非接触是测量，能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。应用：压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等多方面的测量。5.1电容式传感器的工作原理和结构绝缘介质平板电容器dAdACor/电容式传感器可分为三种类型：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变极距式；改变介电常数的变介电常数式。变极距式电容传感器（）变极距型和变面积型电容传感器一般采用空气作电介质。空气的介电常数在极宽的频率范围内几乎不变，温度稳定性好，介质的电导率小，损耗低。变面积式电容传感器（S）变面积型电容传感器常做成圆柱形。)/ln(212rrlC变介电常数式电容传感器（）这种传感器大多用来测量电介质的厚度、位移、液位、液量。还可根据介质的介电常数随温度、湿度的改变而测量温度、湿度等。当电极间存在导电物质时，电极的表面应涂盖绝缘层（如0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止电极间短路。一、变极距型电容传感器变极距型电容式传感器结论：当d/d01时，电容输出可简化为：此时，C与d呈线性关系，同时，减小d0可提高传感器的灵敏度。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为提高传感器的灵敏度，极板间可采用高介电常数的材料作介质，如云母，塑料膜等。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间，极板间距离在20～200µm的范围内。最大位移应小于间距的1/10,在微位移的测量中应用广泛。电容式荷重传感器在力学传感器中常使用变极距式电容传感器。二、变面积型电容式传感器电容相对变化量为：这种形式的传感器其电容量C与水平位移呈线性关系。电容式角位移传感器当=0时，当≠0时，传感器的电容量C与角位移呈线性关系。三、变介质型电容式传感器电容式液位传感器传感器的电容量C与被测液位高度h呈线性关系。变介质型电容传感器还可以用来测量纸张，绝缘薄膜等的厚度。传感器的总电容量：另外电容式传感器还可以用来检测颗粒状介质的水分含量，电容量C为放入介质的介电常数的函数，而介电常数又随介质的水分含量而变化。电容式水分传感器多用于谷物、试验、塑料等颗粒状介质的水分检测。5.2电容式传感器的灵敏度及非线性除变极距型电容传感器外，其它几种形式的电容传感器的输入量与输出电容量之间均为线性的关系。变极距型电容传感器的电容相对变化量为：将上式可按级数展开，可得：忽略高次项，变极距型电容传感器的灵敏度为：考虑线性项与二次项：传感器的相对非线性误差为：结论：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。差动平板式电容传感器结构图当中间的动极板上移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d,电容器C2的间隙d2变为d0+d,按级数展开，电容值的总变化量为：相对变化量为：略去高次项，相对非线性误差为：结论：电容传感器做成差动式后，灵敏度增加了一倍，而非线性误差大大降低了。5.3电容式传感器的等效电路由等效电路可知，该电路有一个谐振频率。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率就破坏了电容的正常工作。5.4电容式传感器的测量电路一、调频电路二、运算放大器式电路运算放大器式电路如果传感器是平板电容器，运算放大器式电路解决了单个变极板间距式电容器的非线性问题。三、二极管双T形交流电桥5.5电容式传感器的应用一、电容式压力传感器二、电容式加速度传感器电容式加速度传感器的主要特点：频率响应快，量程范围大，大多采用空气或其他气体作阻尼物质。三、差动式电容测厚传感器四、电容式接近传感器接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对所接近的物体具有的敏感特性，达到识别物体的接近并输出开关信号。因此又称为接近开关。•电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关。•平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。•当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极上加有电压，检测物体就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近电极，检测电极上的电荷就越多，从而使电容增大，使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。