电容式传感器(传感器的理论设计及应用)

电容式传感器的应用

由于电子技术的发展，成功的解决了电容式传感器存在的技术问题，为电容式传感器

的应用开辟了广阔前景。它不但广泛地用于精确测量位移、厚度、角度、振动等机械量，还

用于测量力、压力、差压、流星、成分、被位等参数。

下面就其主要应用作简单介绍。

一、电容式差压变送器

电容式差压变送器是70年代的新产品，它具有结构简单、小型轻量、精度高(可达o．25％)、互换性强等优点。目前已广泛应用于工业生产中。该变送器具有如下特点：

(1)变送器感压腔室内充灌了温度系数小、稳定性高的硅泊作为密封液；

(2)为了使变送器获得良好的线性度，感压膜片采用张紧式结构；

(3)变送器输出为标准电流信号，

(4)动态响应时间一般为o．2—15s。

图4—29为电容式差压变送器的结构图。

图4—29(6)为二空结构的电容式楚压变送器，图中I、2为测量膜片(或隔离膜六J，它们与被测介质直接接触，3为感压膜片，此膜片在圆周方向张紧，1与3膜片间为·—室，2与3膜片间为另一室，故称为二室结构。其中感压膜片为可动电极，并与固定电极4、5构成差动式球—平面型电容传感器(”I和c”。固定球面电极是在绝缘体6上加工而成。绝缘体一般采用玻璃或陶瓷，在它的表面上蒸镀一层金属膜(如铝)作为电权。感压的挠曲变形，引起差动电容cL和c”变化，经测量电路将电容变化量转换成标准电流信号。因4—29(6)为一室结构的电容式差压交道器。图中1、2为测量膜片，它们与被测介质接触。3为可动乎

板电极，中心轴4把1、2、3连为一体，片簧5把可动电极在圆周方向张紧。在绝缘体6上蒸镀金属层而构成固定电极7、8，并与可动电极构成平行扳式差动电容。在可动电极与测量膜片间充满硅油作为密封刘，并有通道经节梳孔9将两电容连通，所以称为一室结构。当两边被测压力不等时(严”＞PL)，测量膜通过中心轴推动可动电极移动，因而使差动电容cj和cX发生变化。

以下着重分析二室结构电容式差压变送器。这种球—平面型电容量的变化可用单元积分法及等效电容法求得，如图4—30所示图中，c。为电容初始电容；cJ为感压膜片受压后挠曲变形位置与感压膜片初始位置。

因此在求得Co和C4后便可由式(4—94)、式(十95)求得传感器的差动电容在图4—31中，由球面形固定电极墨和平膜片电极A形成一个球—平面型电容器。在

图4—33为电容式测微仪探头的示意图。

电容式测微仪整机包括：高增益主放大器(包括前置放大器)、精密整流电路、测振电路和高稳定度(土24v)稳压电源。并将主放大器和振荡器放在内屏蔽盒里严格屏蔽，其线路地和屏蔽盒相连接，而精密整流电路接大地。电容式测微仪组

成框图如图4—34所示。

三、电容式液位计

液位计可以连续测量水池、水井和江河的水位、燃油等)的液位。

被测电容cf配置如图4—35所示的二极管环形测量桥路，可以得到正比于液位Af的直流信号。

环形测量电桥由四只开关二极管vDl—vDd，电感线圈L2和Ll，电容c3、C，被测电容c，和调零电容cJ以及电流表M等组成。

输入脉冲方波加在4点与地之间，电流表串联在上2支路内，c2是高频旁路电容。由于电感线圈对直流信号是低阻抗，因而直流信号很容易从j点流经L2、电流表至地(公共端o点)，再由地经L1流回A点。由于L1和L2对高频信号(／／l oooHz)呈高阻抗，所以高频方波及电流j目频分量均不能通过电感，这

样电流表A4可以得到比较稳定的直流信导。当输入高频方波由低电平El跃到高电平62时，电容G和cJ两端电压皆为ET充电到j 2。充电电荷一路由4经VDl到C点，再经cx到地；另一路由4经C到月点，再经vD3至月点对cJ充电月点流动的电荷量为

当输入高频方波由52返回z1时，电容巴和cJ均放电。在放电过程中v1反伯截止，C．f经vD 2、凸、Ll至o点放电；(；经VD‘、j1至o点放电。因而在72内由j点流向4点的电荷量为应当指出：式(4—108)、式(4—109)是在(＼电容值远大于Cc和cJ的前提下得到的结果。电容C无放电回路如图4—35中纫实线和虚线箭头所示。从上述充、放电过程可知，充电电流和放电电流经过电容C对方向相反，所以当充电与放电电流不相等时，电容c＼端产生电压差，在桥路4和置两点间有电流产生，可由电流表44指示出来。

当掖面在电容传感器零位时，调整cJ＝c‘o，使流经L1的充电电流相等，e 两端九电位差，4月两端无直流信号输出，电流表4J指零。

当被测电容C随液位变化而变化时，在凰＞cd的情况下、流经c＼的放电电流大于充电电流，电容C两端产生电位差并经电流M放电，没此时电流方向为正；当ci＜Q时，流经电流表4f的电流方向为负。

当cf＞cJ时，由上述分析可知，在一个充放电周期内(即7＝71十了z)，由B 点流向A点的电荷为

由式(4—111)可知，此电路中若高频方波信号频率／及幅值Az一定时，流经电流表M的平均电流Z与A乙成正比，即电流表的电流变化量与待测液位AA《成线性关系。