传感器原理及应用(第3版) 王华翔 第3章 电容式传感器.ppt

任何两个导体之间均可构成电容联系，故电容 式传感器除了极板间电容外，极板还可能与周 围物体之间产生电容联系，这种电容称为寄生 电容。 对传感器及其引出线采取屏蔽措施： 将传感器放在金属壳体内，并将壳体接地； 传感器引出线必须采用屏蔽线，屏蔽线外套同样应良好接地。 三、寄生和分布电容影响 屏蔽线本身电容量大，电容式传感器本身电容量小，当屏蔽线较长且与传感器电容相并联时，传感器电容的相对变化量大大降低，即传感器有效灵敏度显著降低； 更为严重的是，电缆本身的电容量随放置位置和其形状的改变而有很大变化，造成传感器特性不稳定。 仍然存在的问题： 解决电缆电容影响的有效方法： 驱动电缆技术。 原理：使用电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连接的传感器电容极板电位。要求两电位幅值和相位均相同。这样引线与内屏蔽层的电缆电容不起作用。 为实现电缆芯线与内屏蔽线等电位 §3-4 电容式传感器的应用 位移，厚度，角度，振动等机械量 力，压力，差压，流量，成分，液位等参数 一、电容式差压变送器 压力变化——膜片位移——极板距离改变——电容量改变； 激励电压——电容器——交变电流——整流，控制，放大——输出4-20mA直流电流 球面电容等效图 求C0,CA即可 得到CL，CH。 采用单元积分法求出C0,CA 将CL，CH 放入二极管环形检波电路得最终结果为： 二、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 电容探头与待测表面间形成的电容 将其接入运放测量电路中： 三、电容式液位计 电容式液位计可以连续测量的水位或导电液体的液位。 二极管测量电路 从E1到E2时： CX充电：A—D1—C—CX Cd充电：A—Ce—B—D3—Cd A到B流动电荷量： 从E2到E1时： CX放电：CX—D2—Ce—L1—O Cd放电：Cd—D4—L1—O B到A流动电荷量： 在一个充放电周期内，由B点流向A点的电荷为： 设方波频率f=1/T，则流过A、B端及电流表M 支路的瞬间电流平均值为 作业： 2, 3, 4, 8，9，11 第三章 电容式传感器 电容传感器的用途：测量位移、物（液）位、压力等 电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置 结构简单； 只要极小的输入力就能使动极板移动，在移动过程中没有摩擦和几乎没有反作用力 灵敏度高 分辨力也高，能敏感0.01微米甚至更小的位移 动态响应好 能在恶劣环境条件下（高低温、各种形式的辐射）工作 §3-1 电容式传感器的工作原理 用两块金属平板作电极可构成最简单的电容器， 其电容量为： + - ε ——极板间介质的介电常数 ε0 ——真空的介电常数，ε0 =1/3.6π (pF/cm) εr ——极板间介质的相对介电常数， εr = ε/ ε0 ，对于空气介质，εr ≈1 电容式传感器 变面积型(S) 变介电常数型(ε) 变间距型(d) 一、变面积型（S） (a)角位移式 (b)直线位移式 当动片有一角位移θ时，两极 板间覆盖面积S就改变，因而改 变了两极板间的电容量 当θ=0时 当θ≠0时 电容C与角位移θ呈线性关系 b a d x 直线位移式电容传感器 X=0时，电容为： 某一极板移动距离X时，电容为 其灵敏度为： 增大初始电容 可以提高传感器的灵敏度 二、变介质介电常数(ε)型 常用作检测容器中液面高度、片状材料的厚度。液体和 空气的介电常数不同。液面高度变化时，导致传感器的 电容相应改变 气体介质间的电容量 为 液体介质间的电容量 为 总电容量为 传感器电容量C与液位高度h1成线性关系 两部分电容为并联 变介质介电常数(ε)型测厚仪 电容量等于两个电容C0和C1相串联 三、变极板间距(d)型 初始电容量为 当间距 减小Δd 时，则电容量为 展开为级数形式 当Δd 时， 忽略(3-9)式中高次项 灵敏度： 非线性误差 非线性误差较大，如何减小？ 差动测量 动片上移Δd，则 增大， 减小 差动 灵敏度 非线性误差 3-2 电容式传感器的测量电路 测量电路的作用是将微小的电容量转换为与之成正比的 电压、电流或频率信号。 C —传感器电容； Rp—并联电阻，包括了电极间直流电阻 和气隙中介质损耗的等效电阻； Rs—串联电阻，表示引线电阻、金属接线柱电阻及电容极板电阻之和； L —表示传感器各连线端间总电感。 等效阻抗 一、等效电路 由于传感器并联电阻 很大，上式的电容部分可简化为 实际测量电路的等效电容除与电容传感器本身有关外， 还和导线的电感等密切相关。导线长度和布置方式不同， 等效电容大小也不相同。 二、测量电路 交流不平衡电桥 二极管环形检波电路 差动脉冲宽度调制电路 运算测量电路 一、交流不平衡电桥 Z1为电容传感器阻抗，另三个臂 Z2、Z3、Z4为