4 电容式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

项目四 电容式传感器 项目分析 任务4.1　认识电容式传感器 任务4.2　电容式传感器的应用 项目四　电容式传感器 项目分析 了解电容式传感器 熟悉电容式传感器的应用 能正确使用常用的电容式传感器 任务分析 1 任务一 传感器技术基础 任务4.1 认识电容式传感器 相关知识 2 技能训练 3 任务分析 本任务主要介绍常用的电容式传感器。通过学习，了解电容式传感器的基本类型、工作原理及测量电路，初步具备识别各类电容式传感器的能力。 相关知识 电容器是电子技术的三大类无源元件（电阻、电感和电容）之一。利用电容器的原理，将非电量转换成电量，进而实现非电量到电量转化的器件或装置，称为电容式传感器。实际上，它本身（或和被测物一起）就是一个可变电容器。图4－1所示为几种常用电容式传感器的外形。 1．电容式传感器概述 图4－1 几种常用电容式传感器的外形 1）工作原理和外形 2．电容式传感器工作原理和类型 用两块金属平板作电极可构成电容器，如图4－2所示。 图4－2 平板电容器 由物理学可知，两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为： （4－1） 式中：εo ：真空介电常数，εo=8.85×10－12(F／m)； εr：两极板间介质的相对介电常数εr＝ε/εo； S：极板相互遮盖面积(m2)； d：极板间的距离(又称极距)(m)。 由式(4－1)可见，电容量C是S、d、ε的函数。如果保持其中两个参数不变，只改变其中一个参数，就可以把该参数的变化转换为电容量的变化，这就是电容式传感器的基本工作原理。 2）基本类型 （1）变极距型 变极距型电容式传感器的结构原理如图4－3所示。当动极板受到被测物作用位移改变时，极距d改变，引起电容器的电容量发生变化，其变化量为： （4－2） 1一定极板 2一动极板 图4－3变极距型电容式传感器结构原理图 （2）变面积型 图4－4所示为几种常见的变面积型电容式传感器的结构原理图。当定极板不动，动极板做直线位移或角位移运动时，两极板的相对面积发生改变，引起电容器电容量的变化。 图4－4a是平板直线位移式变面积型传感器，极板尺寸如图所示，动极板做直线运动，改变了两极板的相对面积，引起了电容量的变化。当动极板随被测物体产生位移x后。此时的电容量为 （4－3） a)平板形直线位移式 b)圆柱形直线位移式 c)半圆形角位移式 1-动极板 2-定极板 3-外圆筒 4-内圆筒 5-导轨 6-测杆 7-被测工件 8-水平基准 图4－4 变面积型电容式传感器结构原理图 图4－4b是同心圆桶式变面积型传感器，外圆桶不动，内圆桶在外圆桶内做上、下直线运动。设内、外圆桶的半径分别为r、R，内、外圆桶原来的重叠长度为h。当内桶向下产生位移后x，两个同心圆桶的重叠面积减小，引起了电容量随之减小。此时的电容量为 （4－4） （4－5） 图4－4C为角位移式变面积型传感器，动极板可围绕定极板旋转形成角位移。设两极板初始重叠角度为π，动极板随被测物体带动产生一个角位移θ，两个极板的重叠面积减小，因而电容量随之减小。此时的电容量为 （3）变介电常数型 图4－5所示为变介电常数型电容式传感器的结构原理图。由于各种介质的介电常数的不同，如果在电容器的极板之间插入不同的介质，电容器的电容量就会变化。变介电常数型电容传感器利用的就是这种原理，常被用来测量液体的液位和材料的厚度（如图4－5a所示）、位移（如图4－5b所示），液位和流量（如图4-5c所示）， 还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、改变而改变来测量温度、湿度（如图4－5d所示）等。 图4－5 变介电常数型电容式传感器结构原理图 1）桥式电路 3．电容式传感器测量电路 图4－6 电容式位移传感器桥式转换电路 图4－6a所示为单臂接法，即高频电源接到电容电桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电容电桥的四臂。其中，Cx为可变电容，电桥平衡时输出电压为零。Cx变化时，电桥平衡被破坏，会有电压输出。图4－6b所示为差动接法，其空载输出电压可表示为UO=-△CU／Co，其输出电压UO与被测电容的变化量△C之间呈线性关系。图4－6c为双T形电桥原理图，激励电源为稳频、稳幅的高频对称方波，它利用二极管控制传感器电容Cx和电容C的充放电。电容C可以是固定电容，也可以是差动电容的另一