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1、第四章第四章 电容传感器电容传感器1电容传感器：被测物理量变化导致传感器的电容量变化电容传感器：被测物理量变化导致传感器的电容量变化通过测量电容量的变化通过测量电容量的变化实现非电物理量的电测量实现非电物理量的电测量24.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 由由绝绝缘缘介介质质分分开开的的两两个个平平行行金金属属板板组组成成的的平平板板电电容容器器, 如果不考虑边缘效应如果不考虑边缘效应, 其电容量为其电容量为式中式中: C 电容量，电容量，F(F(法拉）法拉） 电容极板间介质的介电常数电容极板间介质的介电常数, =0r, 0为真空介电常数为真空介电常数, r 为极板
2、间介质相对介电常数为极板间介质相对介电常数; S 两平行板所覆盖的面积（两平行板所覆盖的面积（m2）; d 两平行板之间的距离两平行板之间的距离(m)。 3对电容有影响的参数对电容有影响的参数有效面积有效面积S、间距间距d，相对介电常数相对介电常数r 当当被被测测参参数数变变化化使使得得式式（4- 1）中中的的S、d或或 （ r r）发发变变化化时时, 电容量电容量C也随之变化。也随之变化。如如果果保保持持其其中中两两个个参参数数不不变变, 而而仅仅改改变变其其中中一一个个参参数数, 就就可可把把该该参参数数的的变变化化转转换换为为电电容容量量的的变变化化, 通通过过测测量量电电路路就就可可转
3、转换换为为电电量量输输出出。因因此此, 电电容容式式传传感感器器可可分分为为变变极极距距型型、变变面面积积型型和和变介质型三种类型。变介质型三种类型。4一、变面积（一、变面积（S）型）型改变平板电容器有效截面积的方法：改变平板电容器有效截面积的方法：直线位移角位移（旋转）51. 角位移式角位移式当当动动极极板板有有一一个个角角位位移移时时, , 动动极极板板与与定定极极板板间间的的有有效效面面积积就就改变改变, , 从而改变了两极板间的电容量。从而改变了两极板间的电容量。收音机中的收音机中的调谐电容就调谐电容就是这种形式是这种形式6当当=0 时时, 两平板之间的有效面积为两平板之间的有效面积为
4、S。当旋转当旋转角时。对于图角时。对于图4-1（a）所示结构的平板电容器，有效面）所示结构的平板电容器，有效面积变为积变为电容量变为电容量变为电容量电容量C C 与角位移量与角位移量线性比例线性比例, 增大，电容量增大，电容量C C 变变小小7灵敏度灵敏度灵敏度与角位移无关灵敏度与角位移无关对于某个具体的变角位移电容传感器，对于某个具体的变角位移电容传感器，S、d、是常数是常数灵敏度是常数。灵敏度是常数。82. 直线位移型直线位移型当动片当动片1相对于定片相对于定片2有一直线位移有一直线位移x时时, 两极板之间的有效面积两极板之间的有效面积就改变就改变, 从而改变了两极板间的电容量。从而改变了
5、两极板间的电容量。9在初始位置，动片与定片无相对位移，有效面积在初始位置，动片与定片无相对位移，有效面积电容量变为电容量变为电容量电容量C CX X与位移量与位移量x线性比例线性比例, x增大，电容量增大，电容量C CX X变小变小动片移动动片移动x,有效面积有效面积10灵敏度灵敏度灵敏度与位移灵敏度与位移x无关无关对于某个具体的变角位移电容传感器，对于某个具体的变角位移电容传感器，b、d、是常数是常数灵敏度是常数。灵敏度是常数。11二、二、 变介质介电常数（变介质介电常数（）型）型不同的电介质不同的电介质具有不同的具有不同的介电常数介电常数变介质变介质常用于常用于l测液体容量（例如飞机油箱的
6、测液体容量（例如飞机油箱的油量）油量）l液位高低液位高低l也可用于检测片状（薄膜）电也可用于检测片状（薄膜）电介质的厚度介质的厚度121. 电容测液位电容测液位对于该图所示电容液位计对于该图所示电容液位计高度为高度为h1的一部分的一部分液位计液位计总电容相当于总电容相当于C1、C2并联并联高度为高度为h2的一部分的一部分C2C2C1C1C2C213故总电容故总电容我们需要检测的是我们需要检测的是h1142. 电容测厚电容测厚待测电介质厚度为待测电介质厚度为d0,平板电容传感器两极板间距平板电容传感器两极板间距d待测电介质厚度为待测电介质厚度为d1,平板电容传感器两极板间距平板电容传感器两极板间
7、距d基本间的空气介质厚度基本间的空气介质厚度 d0=d-d115对于该结构，可以认为是由空气介质、电介质构成的两个电容对于该结构，可以认为是由空气介质、电介质构成的两个电容C0，C1串联串联C可以方便的测量，可以方便的测量，电介质厚度电介质厚度d1也就可以测量也就可以测量可以得出总的电容可以得出总的电容C为：为：16三、变极板距离三、变极板距离(d )型型图图 4- 4 为变极距型电容式传感器的原理图。为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的r和S为常数, 初始极距为d0时, 由式（4- 1）可知其初始电容量C0为17 若电容器极板间距离由初始值d0缩小x, 电容量增大C, 则有 由该式可知
8、, 传感器的输出特性Cx =f(x)不是线性的。 由于18 在d0较小时, 对于同样的d变化所引起的C可以增大, 从而使传感器灵敏度提高。但d0过小, 容易引起电容器击穿或短路,同时对制造和使用要求也提高。 为解决间隙小而造成的耐压低问题，可以在极板间使用特殊的绝缘材料，例如云母、聚酰亚胺等19一般变极板间距离电容式传感器：起始电容在 20100pF之间 极板间距离在25200m的范围内 最大位移应小于间距的1/10, 这类传感器在微位移测量中应用最广。 20单电容传感器的特点单电容传感器的特点优点：结构简单优点：结构简单缺点：线性度低、灵敏度低缺点：线性度低、灵敏度低21四、差动电容传感器四
9、、差动电容传感器单电容传感器：具有结构简单的优点单电容传感器：具有结构简单的优点 缺点：缺点： 线性度低、灵敏度低线性度低、灵敏度低差动电容传感器可以提高线性度和灵敏度。差动电容传感器可以提高线性度和灵敏度。差动电容传感器有两种结构差动电容传感器有两种结构l变间距变间距dl变面积变面积S221. 变间距变间距d将两个边检举行电容传感器组合构成将两个边检举行电容传感器组合构成中间基板上下移动。中间基板上下移动。（1）初始位置：）初始位置：中间基板上下移动。中间基板上下移动。d1与与d2一个增加一个减小一个增加一个减小上下两个极板与中间极板上下两个极板与中间极板构成的电容其电容量一个构成的电容其电
10、容量一个增加一个减小增加一个减小差动差动23（2） 上移上移差动输出差动输出d1=d-|x|, d2= d1=d+|x|, d1=d-|x|, d2= d1=d+|x|, 24对于电容传感器，对于电容传感器，X相对于相对于d比较小（小于比较小（小于1/10）灵敏度增加了灵敏度增加了输出量输出量C与位移量与位移量X近似为线性关系。近似为线性关系。25（3） 下移下移差动输出差动输出d1=d+|x|, d2= d1=d-|x|, d1=d+|x|, d2= d1=d-|x|, 26对于电容传感器，对于电容传感器，X相对于相对于d比较小（小于比较小（小于1/10）当考虑当考虑x量，上移大于量，上移大
11、于0，下移小于，下移小于0，则，则灵敏度增加了灵敏度增加了输出量输出量C与位移量与位移量X近近似为线性关系。似为线性关系。272. 变有效面积变有效面积S两个圆筒形电容器两个圆筒形电容器内电极上下移动内电极上下移动（1）初始位置）初始位置（2） 上移上移（3）下移）下移中间圆筒电极中间圆筒电极与上下两个外与上下两个外圆筒的间隙很圆筒的间隙很小，小，有效面积可以有效面积可以按照按照2r2r计算计算28第二节第二节 测量电路测量电路电容传感器的输出电容值：几皮乏电容传感器的输出电容值：几皮乏几十皮乏几十皮乏通过测量电路进行测量通过测量电路进行测量29一、测量电桥一、测量电桥1.单臂桥单臂桥（1）初
12、始状态）初始状态CX=C3=CUO=0B BA A30（2）工作状态）工作状态: C=C-C31（3）工作状态）工作状态: C=C+C322. 差动桥差动桥C1、C2为差动电容为差动电容（1）初始状态）初始状态C11=C2=C（2）工作状态）工作状态C1=C+CC2=C-C（3）工作状态）工作状态C1=C-CC2=C+C33（2）工作状态）工作状态: C1=C+C,C2=C-C这里的激励信号为单臂桥的这里的激励信号为单臂桥的2倍（倍（2U），如果还是按照单臂桥的），如果还是按照单臂桥的激励信号为激励信号为U，则信号增强了，则信号增强了1倍倍电容变化与电容变化与UO变化的非线性被消除变化的非线性
13、被消除34（3）工作状态）工作状态: C1=C-C,C2=C+C这里的激励信号为单臂桥的这里的激励信号为单臂桥的2倍（倍（2U），如果还是按照单臂桥的），如果还是按照单臂桥的激励信号为激励信号为U，则信号增强了，则信号增强了1倍倍电容变化与电容变化与UO变化的非线性被消除变化的非线性被消除353， 紧耦合桥紧耦合桥（1） 初始状态初始状态（2）C1=C+C，C2=C-C（3） C1=C-C，C2=C+C36二、差动脉冲调制电路二、差动脉冲调制电路一种电路原理如图一种电路原理如图R=1,S=1，维持，维持，R=1,S=0置置1， R=0,S=1清零，清零，R=0,S=0输出不输出不确定确定37应该是这样的应该是这样的38三、电容调频电路三、电容调频电路公式公式1.工作状态工作状态2.初始状态，初始状态，C=0，振荡频率，振荡频率f=f03.工作时，由于电容变化工作时，由于电容变化振荡频率变化振荡频率变化通过检测频率，来通过检测频率，来测量电容的变化测量电容的变化39四、运算放大器测量电路四、运算放大器测量电路教材教材P.70自己看一下。自己看一下。40
