自动检测技术及仪表课程设计之电容式传感器 第4页

组成： 比较器，双稳态触发器、VD1、VD2与电阻组成充放电回路，电容 、 为传感器差动电容， 参考直流电压，双稳态两个输出端 作输出。

设电源接通时 ， 高， 低， 通过 时 充电，差动脉冲调宽电路:

时，比较器 输出极性改变，触发器翻转， 点变低， 点变高， 导通， 放电 0 ,同时 点变高，经 向 充电;当 时 ,比较器 产生一脉冲使触发器再一次翻转；使双稳态的两个输出端各产生一个调制脉冲,脉冲宽度受 调制；

当 时， 与 放电时间相同，输出经滤波后 ,平均电压为零 ；当 时,差动脉冲调宽电路波形 :

若 ， 与 对 充放电时间不同,输出电压不再是零，输出后两点平均值等于 与 之差,即

为触发器输出的高电平； 为 电容充电到 所需时间，电路（低通）输出直流电压为：

如果是差动变极距型电容输出,则为：

如果是差动变面积型电容输出电压，则为：

差动脉冲调制电路能适用于任何差动电容传感器，并有理论线性度，与双T型电路相似。不需加解调，检波由滤波直接获得直流输出，而且对矩形波纯度要求不高，只需稳压直流电源。

（4）运算放大器式电路

传感器电容， 固定电容， 放大器开环放大倍数，反相输出。设运放开环放大，放大倍数很高 ，输入阻抗 很高，a点为“虚地”点 ，I=0，

理想运放输入端：

运算放大器式电路原理

输出端

因为有： ，所以

对于单极板平板电容传感器：

输出电压：

讨论：

① 输出电压 与动极板的机械位移 成线性关系，解决单电容非线性的问题。以上输出结果是在 理想条件下得到的，实际有一定的非线性，但只要 足够大，这种误差会较小。

② 另外输出电压与固定电容 有关，因此 要求很稳定， 信号源电压也须采取稳压措施，减小输出误差问题。

四、特性参数

（1）、温度的影响

1、对结构尺寸的影响

        环境温度的改变将引起电容式传感器各部分零件几何尺寸和相互间几何位置的变化，从而导致电容极板间隙或面积发生变化，产生附加电容变化。

2、对介电常数的影响

       传感器的电容值与介电常数成正比，因此，若介质的介电常数有不为零的温度系数，就必然要引起传感器电容值的改变，从而造成温度附加误差。

（2）、漏电阻的影响

       电容式传感器的电容量很小，一般在几十皮法。如果激励频率较低时，电容式传感器的容抗很高，达几十兆欧。一般的绝缘电阻将被看作是对电容式传感器的一个旁路，称为漏电阻。

（3）、边缘效应

       理想情况下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板相互覆盖的空间，但实际上，在极板的边缘附近，从而使电容的实际计算公式变得相当复杂。这种电场的边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，其结果使传感器的灵敏度下降、非线形增加。

五、电容式传感器的应用

电容式传感器虽然存在很多不足，比如：寄生电容影响大，不仅降低了传感器的灵敏度和精度，而且会使仪器工作不稳定，变极距型电容传感器输出成非线性，即使其他类型的电容传感器由于边缘效应的存在，也会出现非线性等。但随着材料、工艺、电子技术尤其是集成技术的高速发展，成功地解决了电容传感器在使用中存在的问题，使之成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有前途的传感器。电容式传感器的应用非常广泛，凡是可以转换为间距、面积和介电常数的量都可以用电容传感器来测量。下面就几方面的应用作一介绍。

1 电容式位移传感器

电容式位移传感器可以实现非接触测量，用来测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置、振动位移等。CapaNCD(非接触电容位移传感器)测量原理的基础在于理想平板电容的构成，两个平板电极由传感器和相对应的被测体组成，当恒定的交流电加在传感器电容上时，传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比，交流电压经检波器，与一个可设置的补偿电压叠加，经放大，作为模拟信号输出。capaNCDT610是一个精密的单通道系统，它由电容位移传感器，传感器电缆和处理信号的前置器组成，用户可以在现场用二点线性化方法校准。这种传感器的特点是工作时无磨损，免文修、对被测体没有作用力、具有高的零点稳定性和精度、与被测体导电性能以及导电性能变化无关而且几乎不受温度影响。capaNCDT610可输出0～10 的电压，在牺牲精度的情况下，测量范围还可以扩大2～3倍。

2 电容式物位传感器

电容式物位传感器有两个导电极板(通常把容器壁作为一个电极)，由于电极间是气体、液体或固体而导致静电容发生变化，因而可以敏感物位。它的敏感元件有三种形式，即棒状、板状和线状，其工作温度、压力主要受绝缘材料的限制。电容式物位传感器可以采取微机控制，实现自动调整灵敏度，并具有自诊断功能，同时能够检测敏感元件的破损、绝缘性的降低、电缆和电路的故障等，并可以自动报警，实现高可靠性的信息传递。由于电容式传感器无机械可动部分，且敏感元件简单，操作方便，是目前应用最广的一种物位传感器。

上一页  [1] [2] [3] [4] [5] [6] 下一页