《传感器原理及检测技术_第4章_电容式传感器原理及其应用-A.》由会员分享,可在线阅读,更多相关《传感器原理及检测技术_第4章_电容式传感器原理及其应用-A.(19页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 电容式传感器 4.1 电容式传感器的工作原理和特性 4.2 电容式传感器的测量转换电路 4.3 电容式传感器的应用 4.4 电容式传感器的特点及设计改善措施 4.1 电容式传感器的工作原理和特性 4.1.1 电容式传感器的工作原理 电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件 电容量的变化,再经过测量电路将电容量的变化转换成电信 号输出。 电容式传感器实际上是一个可变参数的电容器。 电容式传感器工作原理图 平板电容器电容量表达式为: 三个参数都直接影响着电容量的大小。如果 保持其中两个参数不变,而使另外一个参数改变,则电容 量就将发生变化。 如果变化的参数与被测量之间存在一定函
2、数关系,那么电 容量的变化可以直接反映被测量的变化情况,再通过测量 电路将电容量的变化转换为电量输出,就可以达到测量的 目的; 电容式传感器通常可以分为三种类型:改变极板面积的变 面积式;改变极板距离的变间隙式;改变介电常数的变介 电常数式。 4.1.2 类型与结构形式及特性 (1)变面积型(线位移) 常用的线位移变面积型电容式传感器可分为平面线位移型和 柱面线位移型两种结构。 对于平板状结构,在图4-5(a)中,两极板有效覆盖面积 就发生变化,电容量也随之改变,其值为: 式中, ,为初始电容值。 对于柱状结构,在图4-5(b)中,覆盖面积就发生变化, 电容量也随之改变,其值为: 式中, ,为
3、初始电容值。 (2)变面积(角位移型 ) 角位移型是变面积式电容传感器的派生形式,其派生形式种类较多,如图 所示。 (a)角位移型;(b)齿形极板型;(c)圆筒型;(d)扇型 变面积式电容传感器的派生型 在前面图a中,当动极板有一个角位移 时,它与 定极板之间的有效覆盖面积就会发生变化,从而导致电 容量的变化,电容值可表示为: (2)变级距(间隙)式电容传感器 当电容式传感器的面积和介电常数固定不变,只改变极 板间距离时,称为变间隙式电容传感器,其结构原理如图所 示。图中,活动极板与被测对象相连。 当活动极板因被测参数的改变而引起移动时,电容量随着两 极板间的距离的变化而变化,当活动极板移动后
4、,其电容量 为: 这类传感器一般用来对微小位移量进行测量,正常工作在微 米到几毫米的线位移。同时,变间隙式电容传感器要提高灵 敏度,应减小极板间的初始间距。 为了改善这种情况,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介 电常数较高的介质。 (3)变介电常数式电容传感器 根据前面的分析可知,介质的介电常数也是影响电容式 传感器电容量的一个因素。通常情况下,不同介质的介电常 数各不相同。 几种常见材料的介电常数 当电容式传感器的电介质改变时,其介电常数变化,也会引 起电容量发生变化。 变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实现对被测 量的检测,并通过传感器的电容量的变化反映出来。它通常 可以分为柱式和
5、平板式两种,如图所示。 (a)柱式 (b)平板式 变介电常数型电容式传感器 变介电常数式电容传感器的两极板间若存在导电物质,还应 该在极板表面涂上绝缘层,防止极板短路,如涂上聚四氟乙 烯薄膜。 变介电常数式电容传感器除了可以测量液位和位移之外,还 可以用于测量电介质的厚度、物位,并可以根据极板间介质 的介电常数随温度、湿度、容量的变化而变化来测量温度、 湿度、容量等参数。 (a)测介质厚度;(b)测量位移;(c)测量液位;(d)测温度、湿度 常见变介电常数式电容传感器 4.2 电容式传感器的测量转换电路 电容式传感器输出电容量以及电容变化量都非常微小,这样 微小的电容量目前还不能直接被显示仪表
6、所显示,无法由记 录仪进行记录,亦不便于传输。 借助测量电路检出微小的电容变化量,并转换成与其成正比 的电压、电流或者频率信号,才能进行显示、记录和传输。 用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:普通交 流电桥、变压器电桥、双T形电桥电路、紧耦合电感臂电桥、 运算放大器式测量电路、调频电路、脉冲宽度调制电路等。 (1) 普通交流电桥电路 普通交流电桥测量电路如图所示, 为传感器电容, 为等 效配接阻抗, 和 分别为固定电容和固定阻抗。 传感器工作前,先将电桥初始状态调至平衡。当传感器工作 时,电容 发生变化,电桥失去平衡,从而输出交流电压信 号。 此信号先经过交流放大器将电压进行放大,再
7、经过相敏检波 器和低通滤波器检出直流电压、并滤掉交流分量,最后得到 直流电压输出信号,它的幅值随着电容的变化而变化。 电桥的输出电压为: (2)变压器电桥电路 电容式传感器接入变压器电桥测量电路如图所示,它 可分为单臂接法和差动接法两种。 (a)单臂接法 (b)差动接法 电桥的单臂接法 图a所示为单臂接法的变压器桥式测量电路,高频电源经变压 器接到电容桥的一个对角线上,电容 构成电 桥的四个臂,其中 为电容传感器。 当传感器未工作时,交流电桥处于平衡状态,有: 此时,电桥输出电压 。 当 改变时, ,电桥有输出电压,从而可测得电容 的变化值。 (2)差动接法 变压器电桥测量电路一般采用差动接法,如图b所示。 以差动形式接入相邻两个桥臂,另外两个桥臂为次级线圈。 在交流电路中, 的阻抗分别为: 则有, 故,当输出为开路时,电桥空载输出电压为