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第4章 電容式傳感器 4.1 電容式傳感器工作原理及分類 4.2 測量電路 4.3電容式傳感器的應(yīng)用 1F=106μF=109 nF=1012 pF 電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、抗過載能力大、動(dòng)態(tài)特性好；且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。 電容式傳感器可用于測量壓力、位移、振動(dòng)、液位、厚度。 4.1 電容式傳感器工作原理 C=ε.S/d=ε0. εr.S/d ε=ε0. εr C為電容 ε0=8.85×10-12F/m εr為相對(duì)介電常數(shù) 用S為極板相對(duì)覆蓋面積m2 d為極板間距 電容式傳感器分為變面積式、變間隙式、變介電常數(shù)式三大類，其中變面積式可分為直線位移式、角位移式；變介電常數(shù)式可分為平面介電常數(shù)式、圓筒介電常數(shù)式。 4.1 電容式傳感器工作原理 4.1.1 變面積式電容傳感器 變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為動(dòng)極板。 1．直線位移式 電容的相對(duì)變化量和靈敏度為 為提高測量精度，也常用如圖4.3所示的結(jié)構(gòu)形式，以減少動(dòng)極板與定極板之間的相對(duì)極距可能變化而引起的測量誤差。 4.1 電容式傳感器工作原理 2．角位移式 當(dāng)被測的變化量使動(dòng)極板有一角位移q 時(shí)，兩極板間互相覆蓋的面積被改變，從而改變兩極板間的電容量C。 4.1.2 變間隙式電容傳感器 基本結(jié)構(gòu)電容的相對(duì)變化量和靈 敏度分別為 差動(dòng)式電容的相對(duì)變化量和靈敏度 分別為 與基本結(jié)構(gòu)間隙式傳感器相比， 差動(dòng)式傳感器的非線性誤差減少了一個(gè) 數(shù)量級(jí)，而且提高了測量靈敏度，所以 在實(shí)際應(yīng)用中被較多采用。 4.1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器 1．平面式 電容變化量DC與位移Dx呈線性關(guān)系。 若被測介質(zhì)的介電常數(shù)ex已知，測出輸出電容C的值，可求出待測材料的厚度x。若厚度x已知，測出輸出電容C的值，也可求出待測材料的介電常數(shù)ex。因此，可將此傳感器用作介電常數(shù)ex測量儀。 2．圓柱式 電介質(zhì)電容器大多采用圓柱式。其基本結(jié)構(gòu)如圖4.10所示，內(nèi)外筒為兩個(gè)同心圓筒，分別作為電容的兩個(gè)極。 如圖4.11所示為一種電容式液面計(jì)的原理圖。在介電常數(shù)為ex的被測液體中，放入該圓柱式電容器，液體上面氣體的介電常數(shù)為e，液體浸沒電極的高度就是被測量x。 液面計(jì)的輸出電容C與液面高度x成線性關(guān)系。 4.2 測量電路 4.2.1 調(diào)幅型電路 1．交流電橋電路 （1）單臂橋式電路 （2）差動(dòng)接法變壓器交流電橋電路 2．運(yùn)算放大器式測量電路 理想運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為 采用基本運(yùn)算放大器的最大特點(diǎn)是電路輸出電壓與電容傳感器的極距成正比，使基本變間隙式電容傳感器的輸出特性具有線性特性。 4.2.2 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 電路的工作原理：利用傳感器電容充放電，使電路輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而變化，再通過低頻濾波器得到對(duì)應(yīng)于被測量變化的直流信號(hào)。 4.2.3 調(diào)頻電路 1．載波頻率改變的調(diào)幅調(diào)頻式 該測量電路把電容式傳感器與一個(gè)電感元件配合，構(gòu)成一個(gè)振蕩器諧振電路。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電容量發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再經(jīng)過鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大器放大后即可顯示，這種方法稱為調(diào)頻法。 調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率 4.3 實(shí)際中存在的問題及其解決辦法 1．溫度影響 應(yīng)盡量選擇溫度系數(shù)小且穩(wěn)定的金屬材料做電容器極板，如鐵鎳合金；此外，應(yīng)采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在測量電路中加以補(bǔ)償。 極板支承架應(yīng)選擇絕緣性能良好的材料，如陶瓷、石英等高絕緣電阻、低吸濕性材料。 4.4 電容式傳感器的應(yīng)用 1．電容式位移傳感器 采用了差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)測量桿隨被測位移運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)活動(dòng)電極位移時(shí)，導(dǎo)致活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極間的覆蓋面積發(fā)生變化，其電容量也相應(yīng)產(chǎn)生變化。 2．電容式壓力傳感器 該壓力傳感器可用于測量微小壓差。 3．電容測厚儀 電容測厚儀的關(guān)鍵部件之一就是電容測厚傳感器。在板材軋制過程中由它監(jiān)測金屬板材的厚度變化情況。 小 結(jié) 變電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、抗過載能力大、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。 只要固定平行板電容器3個(gè)參量d、S、e 中的兩個(gè)，只要另外一個(gè)參數(shù)改變，則電容量就將產(chǎn)生變化，所以電容式傳感器可以分成3種類型：變面積式、變間隙式與變介電常數(shù)式。 電容傳感器的輸出電容值一般十分微小，幾乎都在幾皮法至幾十皮法之間，因而必須借助于一些測量電路，將微小的電容值成比例地轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。選擇測量電路時(shí)，可根據(jù)電容傳感器的變化量，選擇合適的電路。 由于溫度、電場邊緣效應(yīng)、寄生電容等因素的影響，可能使電容傳感器的特性不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至使其無法工作，因此使用時(shí)要引起注意。 作業(yè) P73 1、3、42hl紅軟基地

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