課程設計---電容式濕度傳感器的應用-文庫吧
2025-05-15 16:13 本頁面
【正文】 .............11 電容式傳感器的工作原理 電容式傳感器 是將被測量的變化轉換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結構簡單，體積小，動態(tài)響應好，靈敏度高，分辨率高，能實現非接觸測量等特點，因而被廣泛應用于位移、加速度、振動、壓力、壓差、液位、等分含量等檢測領域。 這里主要介紹電容式傳感器的原理、結構類型、測量電路及其工程應用。當被測量的變化使 S、 d 或 ε 任意一個參數發(fā)生變化時，電容量也隨 之而變，從而完成了由被測量到電容量的轉換。當式中的三個參數中兩個固定，一個可變，使得 電容式傳感器 有三種基本類型：變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器和變介電常數型電容傳感器。電容式傳感器的測量電路就是將電容式傳感器看成一個電容并轉換成電壓或其他電量的電路。因此，常用的測量電路主要有橋式電路、調頻電路、脈沖寬度制電路、運算放大器電路、二極管雙 T 形交流電橋和環(huán)行二極管充放電法等。調頻電路實際是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路 的一部分 ,當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉換為電壓振幅的變化，經過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。 調頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至 m 級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數字儀器測量，并與計算機通信，抗干擾能力強，可以發(fā)送、接收以達到遙測遙控的目的。 因此，在實際應用中，常采用差動式結構，既使靈敏度提高 1 倍，又使非線性誤差 大大降低，抗干擾能力增強。 電容式傳感器，顧名思義，指的是電容與傳感器的組合。它是傳感器的其中一種，因而也是由敏感元件、傳感元件、測量電路組成。所不同的是，它以各種類型的電容器為傳感元件，將被測物理量的變化轉化為電容量的變化，再經測量電路轉換為電壓、電流或頻率，以達到檢測或控制的目的。在過去，電容式傳感器主要應用于位移、加速度、角度和振動等機械量的精密測量；現在多用于壓力、壓差、液位、成份含量等方面的測量。電容式傳感器的特點是：測量范圍大；靈敏度高；動態(tài)響應好；小功率、高阻抗；機械損失??；結構簡單，適應性 強；但寄生電容影響大，而且變間隙式電容傳感器存在非線性誤差。電容式傳感器的分類也是多種多樣的，按工作原理可分為變間隙式（變極距型）、變面積式、變介電常數式（變介質型）；按極板結構分為平板式和圓柱式；按被測量分為位移、壓力、應力、濕度、溫度等類型。 現在以平板電容器為例來說明其工作原理。如圖 1所示。 圖 1平板電容器 其電容為： dSdAC r??? 0?? ,? 為極板間介質介電函數， 0? 為真空介電常數，?? ? (pF/cm), r? 是介質相對介電常數， dsC r ?? ? 。 當即板間距離 d? （令 :△ d=x）后的電容為 )( 01 xdSC ?? ? 。)()( 00010 xdxCCCCC ????? 這是實際非線性關系。靈敏度)(1)( 00 xdxCCS n ???? ，當 x相對于 do很小時可以近似為 : 00 dxd ?? 時，00 dxCC ?? ，這是理想的線性關系。理想情況下 : 01dSn ? 非線性誤差：0001)( )()( dxd xdLCC LCCSCCe f ????? ???? 圖 2變極距型傳感器的特性曲線x M a b d N x 0 C 由上述可知，可以通過提高靈敏度和減小非線性誤差的方法來改善電容式傳感器的性能。但是影響電容式傳感器的因素很多，溫度、電容電場邊緣效應和寄生或分布電容等等都會對電容式傳感器產生影響。 我們可以采取相應的措施來減少這些影響，如增大初始電容和加裝等位環(huán)，靜電屏蔽，電纜驅動等。 圖 3 運算放大器式電路原理圖 圖 4 差動式電容壓力傳感器結構圖 電
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