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1、4.1 工作原理及类型,电容式传感器将被测量的变化转换成电容的变化。,2.类型 变极距型(变间隙型） 变面积型 变介电常数型 电极板形状有平板形、圆筒形和球面形三种。,第4章 电容式传感器,变极距型电容传感器,变面积型电容传感器,变介电常数型电容传感器,4.2 电容传感器的灵敏度及非线性,变极距型的平板电容传感器的灵敏度,变面积型 变介电常数型,当极板间距有一个增量d 时，则传感器电容为：,假设极板间只有一种介质，其初始电容值为：,灵敏度k为：,为在较大的范围内使用变极距型传感器，可适当地增大初始极板间距 d0 ，以保证d/d0不致过大，但会带来灵敏度下降的缺点，同时使电容传感器的初始电容值减
2、小，寄生电容的干扰作用将增加。,当d/d0 很小时才近似为线性关系测量范围不应太大。,常采用差动式电容传感器，灵敏度提高一倍，非线性大为减小。 变面积型和变介电常数型电容传感器具有很好的线性。但该结论都是忽略了边缘效应得到的。实际上由于边缘效应，仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。,4.3 电容式传感器的特点及等效电路,4.3.1 电容式传感器的特点 优点： 温度稳定性好 结构简单、适应性强 动态响应好 可以实现非接触测量，具有平均效应,缺点： 输出阻抗高，负载能力差 寄生电容影响大 输出特性非线性,4.3.2 电容式传感器的等效电路,4.4 电容式传感器的设计要点,4.4.1
3、 保证绝缘材料的绝缘性能 必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度、湿度等误差，保证绝缘材料具有高的绝缘性能。,4.4.2 消除和减小边缘效应,等位环3和电极2等电位，使得电极2的边缘电力线平直，极间电场基本均匀，发散的边缘电场发生在等位环3的外周。,边缘效应使电容式传感器的灵敏度降低，产生非线性。 适当减小极间距易产生击穿，限制测量范围 结构上增设等位环,4.4.3 消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容关联，影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号，影响仪器的精度。,增加初始电容值 减小极间距，增加有效面积或长度,消除和减小寄生电容的方法,将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体
4、内， 省去传感器至前置级的电缆。,使用运算放大器法,运算放大器法电路,整体屏蔽法,4.4.4 防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。 增加初始电容值，降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。 尽量采用差动式电容传感电路，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。,4.5 电容式传感器的转换电路,电容式传感器把被测量转换成电容C0，需要将C0 进一步转换成电压、电流、频率等电量参数，便于信号的传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，并得
5、到所需的测量结果或控制某些设备工作。,调制型转换电路（调频、调幅） 脉冲型转换电路 /电容充放电器（双T型、脉冲调宽型）,4.5.1 调制型转换电路 调频电路,调幅电路,1交流激励法,图4-11 交流激励法基本原理图,图4-12 谐振曲线图,2. 交流电桥法,4.5.2 脉冲型电路 脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电特性。,图4-14 双T形充放电网络,双T形充放电网络,图4-15 双T形充放电网络等效电路,脉冲调宽型电路,图4-16 脉冲调宽型电路原理图,2,图4-17 各点电压波形图,4.6 电容式传感器应用举例,电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅（可测至0.05m的微小振幅），尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料位、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、电介质的湿度、密度、厚度等。,当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。,图4-19 差动式电容压力传感器,图4-21 电容式加速度传感器,图4-22 电容式料位传感器,图4-24 电容式振动位移传感器应用,电容式测厚,转速测量,
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