第4章(电容式).ppt

* 3.1.1 变面积式电容传感器 图3.1.2是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 C=?b（a-△x）/d=C0-?b·△x/d （3-1-2） 电容因位移而产生的变化量为 其灵敏度为 可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。 图3.1.3是此类传感器的几种派生形式。图3.1.3a是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为 (3-1-3) 图3.1.3b中极板采用了锯齿板，其目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。当齿板极板的齿数为n，移动△x后，其电容量为 (3-1-4) 其灵敏度为 由前面的分析可得出结论，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。 3.1.2 变间隙式电容传感器 图3.1.4为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。 设极板面积为A，其静态电容量为 ，当活动极板移动x后，其电容量为 (3-1-5) 当x＜＜d时 则 (3-1-6) 由式（3-5）可以看出电容量C与x不是线性关系，只有当 x＜＜d时，才可认为是最近似线形关系。同时还可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小时。但当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。为此,一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。 3.1.3 变介电常数式电容传感器 当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多多种，图3.1.5为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。 由图中可以看出，此时传感器的电容量为 ；其中： 设极板间无ε2介质时的电容量为： ；当ε2介质插入两极板间则有： (3-1-7) 式（3-7）表明，电容量C与位移x呈线性关系。 3.2 电容式传感器的常用测量电路 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、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。在此主要介绍后四种电路。 3.2.1 双T电桥电路 这种测量电路如图3.2.1所示。图中C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容。RL为负载电阻，V1、V2为理想二极管，R1、R2为固定电阻。 电路的工作原理如下：当电源电压U为正半周时，V1导通，V2截止，于是C1充电；当电源负半周时，V1截止，V2导通，这时电容C2充电，而电容C1则放电。电容C1的放电回路由图中可以看出，一路通过R1、RL，另一路通过R1、R2、V2，这时流过RL的电流为i1。 到了下一个正半周，V1导通，V2截止，C1又被充电，而C2则要放电。放电回路一路通过RL、R2，另一路通过V1、R1、R2，这时流过RL的电流为i2。 如果选择特性相同的二极管，用R1=R2，C1=C2，则流过RL的电流i1和i2的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内渡过负载电阻RL的平均电流为零，RL上无电压输出。若C1或C2变化时，在负载电阻RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。此时输出电压值为