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第3章　电容式传感器 本章主要内容及要求 掌握电容式传感器的工作原理和结构 理解电容式传感器的灵敏度和非线性 了解电容式传感器的等效电路 理解电容式传感器的测量电路 熟悉电容式传感器典型应用 由(3-4)式,在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC 可以增大，从而使传感器灵敏度提高。如图3-4所示。 但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。 办法:为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质, 如图 3-4 所示，此时电容C变为 差动的好处 灵敏度得到一倍的改善 线性度得到改善 3.3 电容式传感器的等效电路 3.4.2 谐振电路 电路的特点 : ①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响； ②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； ③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点； ④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器 。 优 点： 采用直流电源，其电压稳定度高 不存在稳频、波形纯度的要求 也不需要相敏检波与解调等 对元件无线性要求 经低通滤波器可输出较大的直流电压 对输出矩形波的纯度要求也不高 3.4.6、电桥电路 3.5.2．频率变换型电容测厚传感器 3.5.6、高分子电容式湿度变送器 3.5.6、石英挠性伺服加速度计 3.6 传感器的特点和设计要点 1. 特 点 2. 设计要点 1、特点 优点: 1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关；本身发热极小 ） 2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平均效应 缺 点： 1、输出阻抗高、负载能力差 传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 。 2、寄生电容影响大 传感器的初始电容量小，而引线电缆电容、电路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等寄生电容却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度 。 2. 设计要点 (1). 减小环境温度、湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能 (2). 消除和减小边缘效应 (3).消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰 (4).尽可能采用差动式电容传感器 习题与思考题 补充习题: 1、下图左是电容式压差传感器，金属膜片与两盘构成差动电容C1、C2 ,两边压力分别为P1、P2。下图右为二极管双T型电路，电路中电容C1、C2是左图中差动电容，电源是占空比为50%的方波。试分析并说明原因： （1）当两边压力相等即P1=P2时，求负载电阻RL上的电压U0值； （2）当P1P2时，分析负载电阻RL上电压U0表达式和方向（正负）。 电桥输出电压为： 电桥平衡条件： 3.5.1 差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极,而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来,经过放大即可由电表指示测量结果。  3.5 电容式传感器的应用 图 3-19 差动式电容测厚仪系统组成框图 将被测电容c1，c2作为各变换振荡器的回路电容，振荡器的其他参数为固定值，其等效电路如下： 电路的振荡频率为： 因为 与 有关，而 与板材的厚度有关 。各频率值通过取样计数器获得数字量，再由微机进行函数处理，就可得到误差极小的板材厚度。 3.5.3 电容式压力传感器 该传感器的灵敏度和分辨率都很高，响应速度快(约100ms),可以测量0~0.75Pa的微小压差真空或微小绝对压力(需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 )。 图3-22(b)为差动电容式压力传感器的结构图。 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时,所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 该仪器是利用高分子电容式湿敏传感器测量湿度的。高分子薄膜式湿敏元件应用的是平板电容器原理