1、电容式位移传感器,S 极板的遮盖面积，单位为m2； 极板间介质的介电系数； 两平行极板间的距离，单位为m； 0 真空的介电常数，0 =8.85410-12 F/m； r 极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，r 1。,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：,当被测参数变化使得式（3-1）中的S,或发生变化时, 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 . 电容式传感器的类型和特性 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
2、式传感器。,图1 变极距型电容传感器,2.1 变极距型电容传感器,下极板上移：,设动片未移动时极板间距为0,初始电容量为：,电容的相对变化量为：,略去高次项，得：,所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足0的条件。且一般只能在极小的范围内变化。,非线性误差与/0有关。其表达式为：,传感器的灵敏度为：,差动式变间隙型电容传感器,动极板上移：,初始位置时，,图2 差动式变间隙型,提高一倍,减小,略去高次项：,电容量的相对变化为 ：,非线性误差为：,灵敏度：,角位移变面积型,2.2 变面积型电容传感器,显然：电容C 与角位移呈线性关系。,板状线位移变面积型,线性关系,图5 直线位移式,当其中一个极板
3、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6 厚度传感器,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；被测物的厚度和它的介电常数分别为x和 ,则,单组式平板形线位移传感器,设极板宽度为b，板间无介质2 时，传感器的电容量为：,图8 线位移传感器,图9 线位移传感器等效电路,插入介质2 后的电容量为：,所以,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
4、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。,图10 调频测量电
5、路原理框图,式中: L振荡回路的电感; C振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1为振荡回路固有电容; C2为传感器引线分布电容; C0C为传感器的电容。,图 10 中调频振荡器的振荡频率为,(3 - 19),当被测信号为0时, C =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡器有一个固有频率f0, f0= (3 - 20)当被测信号不为 0 时, C0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为,调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至0.01 m级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测遥控。,(3 - 21),图1
6、1 运算放大器电路原理图,2、 运算放大器式电路,运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。 图 11是运算放大器式电路原理图。Cx 为电容式传感器, 是交流电源电压, 是输出信号电压, 是虚地点。 由运算放大器工作原理可得,(3 - 22),如果传感器是一只平板电容, 则Cx =A/d, 代入式(3 - 22), 有 ,式中“-”号表示输出电压 的相位与电源电压反相。 式（3 - 23）说明运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Zi及K足够大。为保证仪器精度, 还要求电源电压 的幅值和固定电容C值稳定。,(3 - 23),
