3.4 电容式传感器A

电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器3.4电容式传感器电容式传感器是将被测量(如位移量、尺寸、压力、厚度、物位、温度、湿度、振动、转速、流量等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。本节要点：•1、电容式传感器的工作原理；•2、电容式传感器的类型及相应特性;•3、电容式传感的测量应用电路。一、电容式传感器的工作原理设两极板相互覆盖的有效面积为A，两极板间的距离为d，极板间介质的介电常数为ε，在忽略极板边缘影响的条件下，平板电容器的电容C为：dAC变间隙型变面积型变介质型电容式传感器dAC电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间；变极距式电容传感器的测量精度约为2%；变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。二、电容式传感器的类型及特性1、变面积式电容传感器当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容也随之发生了变化。平板形dbXCSaxCxdbCCCxdbCdxabCn其灵敏度为：000)(dAC0ba△xx其他表现形式：(角位移变面积型)2、变间隙式电容传感器d极板1极板2当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板之间的电容量C就改变了。d极板1极板210000dddddCCd电容的相对变化量：00AC设初始电容为：dddCddddAdAddC000000A2上移：极板0001/ddCCdd时，当所以:变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δdd0的条件。且一般Δd只能在极小的范围内变化。10000dddddCCd电容的相对变化量：00(dCdCSn：两极板平移）灵敏度为d极板1极板2差动式变间隙性电容传感器：动极板定极板定极板C1d1C2d2002(dCdCSn差动）灵敏度为：案例：指纹识别电容传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起电容量发生变化。3、变介电常数型电容传感器厚度传感器δx2121210022110212122111)(ddlxCCCCCddblCddxlbCddbxCCCCBABABA有的介质插入两极板时则当介电常数为的介质时电容为设极板间无介电常数为其中的电容量为由图中知道此时传感器三、电容式传感器的测量电路1、普通交流电桥电路要求：提供幅度和频率很稳定的交流电源，电桥放大器的输入阻抗很高、一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的5~10倍变压器电桥电容电桥的主要特点①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。该电路的最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。2、运算放大器式测量电路其特点为：信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共接地点。二极管V1的V2工作在伏安特性的线性段。输出电压较高电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。可以用作动态测量。3、双T电桥电路4、调频电路直放式调频外差式调频