电容式传感器(传感器的理论设计及应用)

54—6 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〔：c和C，。

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

2m。球?。(Jo—别—2q洲n瓮

cd—笼ln宝‘PF)

果关ln大十

式中，心。为球—平面电容极板间最大间隙；J6为球—平面电容极板间最小间隙；及为球面电

极的曲率半径。

若将q＝六(pF八m)及长度单位(cm)代入式(4—98)中，则

感压片的挠度可以近似地写为

。—气产(62—，’，

式中PP”一PL为压差；丁为膜片周边受的张力。

如图4‘31所示，在挠曲球面上，宽度为df’、长度为2nr

逞间的电容为

式中，m为膜片挠度。

格式(4—100)代入上式并积分，得

c4—r—华华丛

都＝Z5而if天岩兰歹53是与结构有关的常数，则上式变为

f＝dJc瓮‘f“—P4，—岩—罢

输出电流与羌压(尸ff—PL)成线性关系。

二、电容式测微仪

高灵敏度电容式测微仪采用非接触方式精确地测量微位移和振动振幅。在最大量程为looy”土5y”时，最小检测量为o．01ym。这样就解决了动压轴承陀螺仪的动态参数gD 试问题。试问题。

图4—32是电容式测微仪的原理图

头与持测表面形成的电容C为

P1

C：＝千(4—l 05)

式中，cL为待测电容；犀为测头端面积5A为待

测距离。

待测电容接在高增益的运放反馈回路中，

如图4—21所示的运算法测量电路原理固，因此

由式(4—E9)得coA矿cDr万

式中

为常数

式(4—106)表明，输出电压与待测距离A成线性关系。

为了减小圆柱形探头的边缘效应，一般在探头外面加一个与电极绝缘的等位环(即电

保护套)，在等位环外没有套筒，两者电气绝缘，该套筒使用时接大地，供fll量时央佯用。团

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

电容式液位计可以连续测量水池、水井和江河的水位

油、燃油等)的液位。

以及各种导电液体(酒、醋、酱

容量为

f、2nEAf

Lj—而万zf

式中，‘为导线芯绝缘层的介电常数；AJ，为待测水位高度

层外径。

．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