傳感器電容式

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1、第四章電容式傳感器本章學(xué)習(xí)電容式傳感器的工作原理、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用。2021/9/81電容式傳感器定義：將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。應(yīng)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕度。2021/9/82第一節(jié)電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式2021/9/83A——極板相對(duì)覆蓋面;d——極板間距離；εr——相對(duì)介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù)；ε0＝8.854×10-12(F/m)ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。ε=ε0εrδSε一、工作原理由物理學(xué)可知，又兩平行板組成的平行板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電

2、容量為：dA2021/9/84請(qǐng)思考：上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？由物理學(xué)可知，又兩平行板組成的平行板電容器，電容傳感器的基本理想公式為：2021/9/85改變A、d、?三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。由物理學(xué)可知，又兩平行板組成的平行板電容器，電容傳感器的基本理想公式為:2021/9/861、變面積（A）式電容傳感器圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱為定極板。

3、圖b是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移?度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。圖c是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。2021/9/87可見(jiàn)，增加極板長(zhǎng)度b，減小兩板間距d都可以提高傳感器的靈敏度。但d太小時(shí)，容易引起短路。此傳感器的靈敏度K可用下式求得對(duì)于圖a平板形位移電容傳感器，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后：C0——初始電容值靈敏度為常數(shù)線性關(guān)系2021/9/88變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。

4、這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。你能否畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線??2021/9/89電容器在非電量電測(cè)中作為測(cè)量位移的傳感器來(lái)使用；在電子儀表中作為元器件來(lái)使用。大家都用過(guò)收音機(jī)。當(dāng)你搜尋電臺(tái)時(shí)有沒(méi)有想過(guò)，收音機(jī)是依靠什么元器件來(lái)調(diào)諧電臺(tái)的呢？2021/9/810如果打開(kāi)收音機(jī)的后蓋，就可以看到與調(diào)諧旋鈕聯(lián)動(dòng)的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)式可變電容器。當(dāng)你順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)諧旋鈕時(shí)，變面積式可變電容器的動(dòng)片就隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，改變了與定片之間的覆蓋面積A，電容量C也就越來(lái)越小，諧振頻率也隨之改變,從而可以從55

5、0kHz逐漸增加到1650kHz，就可以從一個(gè)電臺(tái)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電臺(tái)。2021/9/8112、變極距（d）式電容傳感器C與d的關(guān)系:為一雙曲線電容量Cx與d不是線性關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)。當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變小？2021/9/812當(dāng)d0較小時(shí)，該種類型的傳感器靈敏度較高，微小的位移即可產(chǎn)生較大的電容變化量。實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極

6、距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。故該類傳感器只適用于微米數(shù)量級(jí)的位移測(cè)量。結(jié)論：2021/9/8133、變介電常數(shù)（ε）式電容傳感器因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)2021/9/814根據(jù)上表，分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。請(qǐng)問(wèn)：在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測(cè)量什么非電量？2021/9/815根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測(cè)液面高度下圖為

7、電容液位計(jì)，同心圓柱狀極板，插入液體深度h，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器（并聯(lián)）液體介質(zhì)電容氣體介質(zhì)電容2021/9/816輸出電容C與液面高度h成線性關(guān)系其靈敏度為：2021/9/8174、差動(dòng)電容傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動(dòng)形式。變極距式差動(dòng)電容器旋轉(zhuǎn)形差電容器圓柱形差動(dòng)電容器2021/9/818如圖a)，中間的極板為動(dòng)極板，上下兩塊為定極板。當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)x距離后，一邊的間隙變?yōu)閐-x，而另一邊則為d+x。電容C1和C2成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量增加，而另一

8、個(gè)電容量則相應(yīng)減小。將C1、C2接成差動(dòng)形式后，能使靈敏度提高一倍。請(qǐng)思考：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了哪些差動(dòng)形式？2021/9/819休息一下2021/9/820第二節(jié)電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2021/9/821電容式傳感器把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容變化后,將電容量轉(zhuǎn)換成電量的電路稱作電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號(hào)。電容轉(zhuǎn)換電路有電橋電路、調(diào)頻電路