电容式传感器-传感器技术与应用.PPT

第4章电容式传感器 4.1 电容式传感器（原理、类型、特点等。本章重点） 4.1 电容式传感器 4.1.1 平行板电容式传感器工作原理 a)角位移式 图4.5为齿形极板的位移式电容传感器。采用齿形极板的目的是利用平均效应，减小误差。 若在两极间充以其他介质，使介电常数相应变化，则电容量也随之变化。这种传感器常用来检测容器中液面高度、片状材料的厚度等。 4.1.2 圆柱形电容式传感器工作原理 当两圆筒相对移动△L时，电容变化量△C为： 由以上分析可得出结论，同轴圆柱型电容传感器的灵敏度为常数，即输出△C与输入△L呈理想的线性关系。 当被测液体的液面在同心圆柱形电极间发生变化时，将导致电容的变化。 此时，相当于两个同轴圆柱形电容C0、C1并联： 4.1.3 电容式传感器的特性 1、等效电路 若考虑电容器的损耗和电感效应，电容式传感器的等效电路如右图。C为传感器电容，RP为并联损耗电阻，RS为引线电阻，L为电容传感器本身电感和外部引线电感。由此可得到等效阻抗ZC，即： 电容传感器的等效电路，特别是高频时存在串联谐振频率，该谐振频率通常为几十MHz。故一般的供电频率要远离该值，一般为1/2~1/3，传感器才能正常工作。 （1）高阻抗 电容式传感器的电容量一般很小，其容抗Xc=1/jωC，呈现高阻抗。 （2）小功率 4.1.4 转换电路 1、调频电路 二极管双T型交流电桥是利用电容充放电特性进行工作。 负载RL的两端电压为输出信号，可推出： 该电路的特点： ①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减少了分布电容的影响； ②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求高度稳定； ③输出阻抗为R，克服了电容传感器高内阻的缺点； ④适用于单组式和差动式电容传感器。 4.2 容栅式传感器* 4.2.2 容栅式传感器的特点与抗干扰措施 4.2.3 容栅式传感器的信号处理方式（略） 4.3 电容式传感器的应用 4.3.1 电容式传感器的设计及应用要点 （5）合理选择电源电压频率。 电源电压频率的选择应不低于500~1000Hz。 4.3.2 电容式传感器的应用举例 2、电容式压力传感器 4.容栅式传感器在数显卡尺中的应用 4.2.1 容栅式传感器的类型与工作原理 一、类型：长容栅、圆容栅 容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。可测大位移（可达1m），具有精度高（可达5μm），结构简单，能耗低等优点。 二、工作原理 1、长容栅传感器 2、圆容栅传感器 其工作原理与长容栅相似。 长容栅传感器也称线位移容栅传感器。由定尺和动尺组成。工作原理参见下图。 一、优点： 1、耗能低。适用于以电池供电的测量场所。 2、动态响应快。 3、能在高温，恶劣环境下工作。 二、缺点： 易受引线、接地、外壳等外界干扰，对后续放大器也要求很高。 1、调幅式信号处理 2、调相式信号处理 三、提高抗干扰能力的措施 1、提高电源频率。 2、采用高输入阻抗运放。 3、采用带通或选频放大技术。 4、采用屏蔽。 5、提高初始电容值。 6、减小极板厚度，增大极板宽度。 应遵循的几项原则： （1）结构设计时，应尽量提高传感器的初始电容值。 （2）防水防尘。严防潮气、尘土和蒸汽。 （3）电容极板的绝缘与固定。 （4）合理选材。减小传感器的零点漂移。 （6）注意传感器的容许工作电压。 （7）考虑连接电缆对传感器特性的影响。 如采用超小型大规模集成电路；采用“驱 动电缆技术等”。 （8）采用屏蔽接地技术。 1、电容式测微仪 高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确测量微位移和振动振幅。在最大量程为（100±5）μm时，最小检测量为0.01μm。 右图为电容式测微仪测头原理图。 图4.17 电容式测微仪原理图 图4.20（a）为单只变极距型电容式传感器原理图。用于测量气体或液体压力。 图4.20（b）为一种小型差动电容式压力传感器。可用于微小压力。 * * 4.2 *容栅式传感器（一般介绍） 4.3 电容式传感器应用（设计要点、应用举例） 本章内容与学时安排： 电容式传感器是把被测量的变化转换为电容量变化的一类传感器。实质上是一个具有可变参数的电容器。最常用的是平行板电容传感器和圆柱形电容传感器。 可用来测量压力、力、位移、振动、液位、成份含量等。