传感技术及应用4电容式传感器

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1、第四章电容式传感器第四章电容式传感器电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构的参数之间的关系。§4-1电容式传感器的工作原理工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量实质上相当于具有可变参数的电容器应用范围:位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量第四章电容式传感器两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，它的电容量为:+++δS当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。

2、分类示意图c)介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++a)极距变化型;+++第四章电容式传感器第四章电容式传感器一、变面积型电容传感器baδΔx设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动△X，则面积S发生变化，电容量也改变。灵敏度：（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数）第四章电容式传感器线位移角位移单组式差动式平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。①增大初始电容C0

3、可以提高传感器的灵敏度；②极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；③△X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。第四章电容式传感器第四章电容式传感器二、变介电常数型电容传感器（主要测量厚度、液位、介值的温度和湿度等）xh2r2Rε0ε1类型1：被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。ε1－液体介质介电常数；ε0－空气中介电常数（F/m）；h－电极板总

4、长度（m）；r－内电极板外径（m）；R－外电极板内径（m）；x－液面高度（m）。可见，输出电容C与液面高度x成线性关系。液面高度类型2：第四章电容式传感器δd面积S气隙当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：d—运动介质的厚度（m）可见：①若厚度d保持不变，介电常数εr改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；②若εr不变，可做成测厚传感器三、变极板间距型电容传感器第四章电容式传感器δεS动极板定极板若极板间距减小△δ，则电容将增大△C。第四章电容式传感器第四章电容式传感器时，展开为级数形式因，忽略高次

5、项上式表明，在条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。第四章电容式传感器①欲提高灵敏度，应减小间隙δ，但受电容器击穿电压的限制；②非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。③为改善非线性，可以采用差动式。第四章电容式传感器·δδC1C2动极板上移Δδ1，则C1增大，C2减小，初始电容用C0来表示，则：差动电容器输出：忽略高次项：灵敏度提高一倍，非线性误差减小。第四章电容式传感器§4-2电容式传感器的测量电路测量线路是电容传感器的一个重要组成部分，其主要作用为：①给电极提供一个合适

6、的激励源，以便在形成的电场中实现能量变换；②检测出电场能量的变化，形成可供实用的电信号；③在可能条件下，实现传感器特性的线性化处理与信号变换。第四章电容式传感器电容传感器等效电路图中C为传感器电容，RP为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗，Rs为高频、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；CP为寄生电容克服其影响是提高电容传感器实用性能的关键之一。下面专门讨论。可见在实际应用中，特别在高频激励时，尤需要考虑L的存在，会使传感器有效电容改变，从而引起传感器

7、有效灵敏度的改变。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。第四章电容式传感器一、交流电桥电路VZ1Z2Z3Z4•△V•将电容传感器接入电桥的一个臂，不平衡电桥输出：为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、0.1，输出信号相移有0°、±90°、±180°。第四章电容式传感器电路的主要特点：①

8、必须接成差动形式使用；②电桥的交流激励源的幅值和频率要稳定；③要求后续电路输入阻抗无限大。第四章电容式传感器二、差动脉冲宽度调制电路差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。其基本出发点是构成一个频率稳定的方波发生器，以电容变化来调节占空比，由此引起平均直流分