电容式位移传感器.ppt

当被测参数变化使得式（3-1）中的S,δ或ε发生 变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参 数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变 化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为 电量输出。
2.
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变 化的传感器称为电容式传感器。
电容式传感器
电容的相对变化量为：

C C0 0
10
0
（33）
当/01时，
C C 0 0 1 0 0 2 0 3 .. ...（ .3 4 ）
略去高次项，得：
C C 0 0
电容式位移传感器
一、 电容式传感器的工作原理及特性
1.基本工作原理
平行极板电容器的电容量为：
CS0rS
（ 31 ）
S ——极板的遮盖面积，单位为m2；
ε ——极板间介质的介电系数； δ ——两平行极板间的距离，单位为m； ε 0 ——真空的介电常数，ε 0 =8.854×10-12 F/m； ε r ——极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，ε r ≈1。
图10 调频测量电路原理框图
图 10 中调频振荡器的振荡频率为
f
1
1
2(LC) 2
(3 - 19)
式中: L——振荡回路的电感;
C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0±ΔC。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0±ΔC为传感器的电容。
C xC 0CbaxC 01a x
C x 线性关系 C0 a
（ 31） 4
2.3 变介电常数型电容传感器
单组式平板形厚度传感器
图6 厚度传感器
图7 厚度传感器的等效电路
设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为δ；被测 物的厚度和它的介电常数分别为δx和ε ,则

当 0，
C
C0

C
S1

C01

C

C0
（313）
θ
动片
定片 图4 角位移式
显然：电容Cθ 与角位移θ 呈线性关系。
板状线位移变面积型
当其中一个极板发生x位移后， 改变了两极板间的遮盖面积S ， 电容量C同样随之变化。
图5 直线位移式
（ 31） 0
非线性误差为：
r 0 0310 % 0 0 210 % 0
（ 31） 1 减小
灵敏度：
K C 2C 0 0
（ 31） 2提高一倍
2.2 变面积型电容传感器 角位移变面积型
当 0，
S
C0
Fra Baidu bibliotek
所C 以 C0C0
x l
11 2
d1 1
d2 2
（318）
该式表明：电容量C与位移x成线性关系。
二、 电容式传感器的测量电路
电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这 样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很 难为记录仪所接受, 不便于传输。这就必须借助于测量电路 检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系 的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放 大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。 1、 调频测量电路
K C 00r 2 S 1 02
（ 37 ）
差动式变间隙型电容传感器
初始位置时，
120C0 S 0
动极板上移：
1 0 ,2 0 图2 差动式变间隙型
C 1C 0 C 0 S C 0 1 0 1
CC1C2C3axbx （ 31） 5 0
单组式平板形线位移传感器
图8 线位移传感器
图9 线位移传感器等效电路
设极板宽度为b，板间无介质ε2 时，传感器的电容量为：
C01d1b dl2
（ 31） 6
插入介质ε2 后的电容量为：
CC AC Bbd x1 1 1d 2 2blxd1 11d2 （ 31） 7
（ 3 5 ）
所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足
Δδ<<δ0的条件。且一般Δδ只能在极小的范围内变化。
非线性误差与Δ δ /δ 0有关。其表达式为：
（） 2
r 0 100%

0
0
K C 00r 2 S 1 02 （ 37 ）
（36）
传感器的灵敏度为：
C 2C 0 C 0 S C 0 1 0 1
当 /0 1时，
C 1C0 1 0 0 2 0 3..
...
.
C2C 0 1 0 0 2 0 3... ...
CC 1C 2C 0 2 02 0 3.. .（ .3 . .8 ）
电容量的相对变化为 ：
C C 02 0 1 （ 0） 2 （ 0） 4 （ 39 ）
略去高次项：
C C 02 0
变间隙型 变面积型 变介质型
2.1 变极距型电容传感器
图1 变极距型电容传感器
设动片未移动时极板间距为δ0
初始电容量为：
C0 S
0
下极板上移：
C 0 S S 0 S 0 0 C 00 （ 3 2 ）
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一 部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡频率 就发生变化。
虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电 量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示 或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 10 所示。