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电容式传感器的使用原理 |
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电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。
这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被测量的变化使S、d 或ε 任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成 了由被测量到电容量的转换。
当式(4-1)中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容式传感器有三种基本类型： 变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量
的电路。因此，常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度 制电路、运算放大器电路、二极管双 T 形交流电桥和环行二极管充放电法等。 调频电路实际是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。
调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至 0.01 μm 级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通信，抗干扰能力强，可以发送、接收以达到遥测遥控的目的。
因此，在实际应用中，常采用差动式结构，既使灵敏度提高 1 倍，又使非线性误差大大降低，抗干扰能力增强。
电容式传感器具有如下特点。
(1) 结构简单，适应性强
电容式传感器结构简单，易于制造，精度高；可以做得很小，以实现某些特殊的测量，电容式传感器一般用金属作电极，以无机材料作绝缘支承，因此可工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，能承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测超高压和低压差。
(2) 动态响应好
电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特适合于动态测量；可以 用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如振动等。
(3) 分辨率高
由于传感器的带电极板间的引力极小，需要输入能量低，所以特别适合于用来解决输入能量低的问题，如测量极小的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受 0.001μm ，甚至更小的位移。
(4) 温度稳定性好
电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又由于本身发热极小，因此影响稳定性也极微小。
(5) 可实现非接触测量、具有平均效应
如回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等，采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。
不足之处是输出阻抗高，负载能力差，电容传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十皮法到几百皮法，使传感器输出阻抗很高，尤其当采用音频范围 内的交流电源 时，输出阻抗更高，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象；寄生电容影响大，电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂
散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等 “寄生电容”却较大，降低了传感器的 灵敏度，破坏了稳定性，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。
电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至 0.05μm 的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。
电容式液位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容器。为用于检测非导电液体的电容式传感器。它是通过将被测介质的液面高度变化转为电容器电容量的变化，当被测液体的液面在电容传感器的两同心圆柱形电极间变化时， 引起极间不同介电常数介质的高度发生变化。
电容式传感器是基于把被测非电物理量转换为电容量的原理进行测量的，它在工业中 被广泛用于压力、差压、物位、液位、振动和位移等多种参数的检测。
电容传感器有三种类型：变极距型、变面积型和变介电常数型，其中极距型和介电常 数型电容传感器为非线性，而变面积型是线性的，在实际使用中为提高传感器的线性度和抗干扰能力，增大灵敏度，常采用差动式结构。
电容传感器常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度 制电路、运算放大器电路、二极管双 T 形交流电桥和环行二极管充放电法等，不同电路各有特点，适用不同参数测量的场合。
本章主要讲解了电容式传感器的测量原理、分类及结构，电容式传感器的特性、等效电路及电容式传感器的测量电路及其应用。
通过本文，大家应该知道电容式传感器的测量原理，会分析传感器的测量电路，熟悉 电容式传感器的应用场合；同时会运用所学知识，选择传感器、配用合适电路和终端设备， 设计小型的参数检测系统。
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