任务4 电容式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（重庆大学版）

任务4 电容式传感器 任务导航 电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单，分辨率高，抗过载能力大，动态特性好的优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、液位。 学习目标 1.知识目标 （1）知道电容式传感器的工作原理及特点； （2）理解电容式传感器的的测量电路； （3）了解电容式传感器的分类及应用。 2.能力目标 （1）会正确操作传感器与检测技术综合实验台； （2）会对实验数据进行分析； （3）按操作规程进行操作，具有安全操作意识； （4）会计算传感器的非线性误差及灵敏度； （5）能够正确按照电路要求对电容式传感器模块等进行正确接线，并调试； （6）完成实验报告。 4.1 电容式传感器工作原理 4.1.1 变面积式电容传感器 变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。 1．直线位移式 电容的相对变化量和灵敏度为 为提高测量精度，也常用如图4.3所示的结构形式，以减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差。 图4.2 变面积型电容传感器原理图 图4.3 中间极板移动变面积式电容传感器原理图 4.1 电容式传感器工作原理 2．角位移式 当被测的变化量使动极板有一角位移q 时，两极板间互相覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量C。 图4.4 角位移式电容传感器原理图 图4.5 差动角位移式电容传感器原理图 在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式结构如图4.5所示。 4.1.2 变间隙式电容传感器 基本结构电容的相对变化量和灵 敏度分别为 差动式电容的相对变化量和灵敏度 分别为 与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以 在实际应用中被较多采用。 图4.6 基本的变间隙式电容传感器 图4.7 差动结构的变间隙电容传感器 4.1.3 变介电常数式电容传感器 1．平面式 电容变化量DC与位移Dx呈线性关系。 若被测介质的介电常数ex已知，测出输出电容C的值，可求出待测材料的厚度x。若厚度x已知，测出输出电容C的值，也可求出待测材料的介电常数ex。因此，可将此传感器用作介电常数ex测量仪。 图4.8 平面式测位移传感器 图4.9 测厚仪 2．圆柱式 电介质电容器大多采用圆柱式。其基本结构如图4.10所示，内外筒为两个同心圆筒，分别作为电容的两个极。 如图4.11所示为一种电容式液面计的原理图。在介电常数为ex的被测液体中，放入该圆柱式电容器，液体上面气体的介电常数为e，液体浸没电极的高度就是被测量x。 液面计的输出电容C与液面高度x成线性关系。 图4.10 圆柱式电容器结构图 图4.11 电容式液面计 4.2 测量电路 4.2.1 调幅型电路 1．交流电桥电路 （1）单臂桥式电路 （2）差动接法变压器交流电桥电路 图4.12 单臂接法交流电桥电路 图4.13 变压器交流电桥电路 2．运算放大器式测量电路 理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为 采用基本运算放大器的最大特点是电路输出电压与电容传感器的极距成正比，使基本变间隙式电容传感器的输出特性具有线性特性。 图4.14 运算放大器式测量电路 图4.15 调零电路 4.2.2 差动脉冲宽度调制电路 电路的工作原理：利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而变化，再通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。 图4.16 差动脉冲宽度调制电路 （a）C1 = C2 （b）C1 > C2 图4.17 电路各点的充放电波形 当电阻R1 = R2 = R 时，则有 由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。 4.2.3 调频电路 1．载波频率改变的调幅调频式 该测量电路把电容式传感器与一个电感元件配合，构成一个振荡器谐振电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生