电容式传感器课件

第 4章 电容式传感器 4.1 电容式传感器工作原理及分类 4.2 测量电路 4.3电容式传感器的应用 1F=106 F=109 nF=1012 pF 电容式传感器是将被测量的变化转换为电容 量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率 高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、 液位、厚度。 4.1 电容式传感器工作原理 C= .S/d=0. r .S/d =0. r C为电容 0 =8.8510 -12F/m r 为相对介电常数 用 S为极板相对覆盖面积 m2 d为极板间距 电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介 电常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移 式、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常 数式、圆筒介电常数式。 4.1 电容式传感器工作原理 4.1.1 变面积式电容传感 器 变面积式电容传感器的两个极 板中，一个是固定不动的，称为定 极板，另一个是可移动的，称为动 极板。 1直线位移式 电容的相对变化量和灵敏度为 为提高测量精度，也常用如图 4.3所示的结构形式，以减少动极板 与定极板之间的相对极距可能变化 而引起的测量误差。 图 4.2 变面积型电容传感器原理图 图 4.3 中间极板移动变面积式电 容传感器原理图 4.1 电容式传感器工作原理 2角位移式 当被测的变化量使动极板有一角位移 q 时，两极板间互相 覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量 C。 图 4.4 角位移式电容传感器原理图 图 4.5 差动角位移式电 容传感器原理图 在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵 敏度。角位移测量用的差动式结构如图 4.5所示。 4.1.2 变间隙式电容传感 器 基本结构电容的相对变化量和灵 敏度分别为 差动式电容的相对变化量和灵敏度 分别为 与基本结构间隙式传感器相比， 差动式传感器的非线性误差减少了一个 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以 在实际应用中被较多采用。 图 4.6 基本的变间隙式电容传感器 图 4.7 差动结构的变间隙电容传感器 4.1.3 变介电常数式电容传 感器 1平面式 电容变化量 DC与位移 Dx呈线性关系 。 若被测介质的介电常数 ex已知， 测出输出电容 C的值，可求出待测材 料的厚度 x。 若厚度 x已知，测出输出 电容 C的值，也可求出待测材料的介 电常数 ex。 因此，可将此传感器用作 介电常数 ex测量仪。 图 4.8 平面式测位移传感器 图 4.9 测厚仪 2圆柱式 电介质电容器大多采用圆柱式。 其基本结构如图 4.10所示，内外筒为两 个同心圆筒，分别作为电容的两个极。 如图 4.11所示为一种电容式液面 计的原理图。在介电常数为 ex的被测液 体中，放入该圆柱式电容器，液体上面 气体的介电常数为 e， 液体浸没电极的 高度就是被测量 x。 液面计的输出电容 C与液面高度 x成 线性关系。 图 4.10 圆柱式电容器结构图 图 4.11 电容式液面计 4.2 测量电路 4.2.1 调幅型电路 1交流电桥电路 （ 1）单臂桥式电路 （ 2）差动接法变压器交流电桥电路 图 4.12 单臂接法交流电桥电路 图 4.13 变压器交流电桥电路 2运算放大器式测量电路 理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为 采用基本运算放大器的最大特点是电路输出电压与电容传感器 的极距成正比，使基本变间隙式电容传感器的输出特性具有线性特 性。 图 4.14 运算放大器式测量电路 图 4.15 调零电路 4.2.2 差动脉冲宽度调制电路 电路的工作原理：利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲 的占空比随电容传感器的电容量变化而变化，再通过低频滤波器 得到对应于被测量变化的直流信号。 图 4.16 差动脉冲宽度调制电路 （ a） C1 = C2 （ b） C1 C2 图 4.17 电路各点的充放电波形 当电阻 R1 = R2 = R 时，则有 由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系 。 4.2.3 调频电路 1载波频率改变的调幅调频式 该测量电路把电容式传感器与一个电感元件配合，构成一个振荡 器谐振电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生 相应的变化。再经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放 大器放大后即可显示，这种方法称为调频法。 调频振荡器的振荡频率 图 4.18 调频 -鉴频电路原理图 4.3 实际中存在的问题及其解决办法 1温度影响 应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板，如 铁镍合金；此外，应采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。 极板支承架应选择绝缘性能良好的材料，如陶瓷、石英等高 绝缘电阻、低吸湿性材料。 图 4.19 极板周边加装同心圆环示意图 2电场的边缘效应 增加极板面积和减小极间距离可减 小边缘效应的影响；当检测精度要求很 高时，可考虑加装等位环，如图 4.19所 示，即在极板周边外围的同一平面上加 装一个同心圆环，致使极板周边极间电 场分布均匀，以消除边缘效应的影响。 3寄生电容的影响 （ 1）减小引线长度。 （ 2）屏蔽。 4.4 电容式传感器的应用 1电容式位移传感器 采用了差动式结构。当测量杆随被测位移运动而带动活动电 极位移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化， 其电容量也相应产生变化。 图 4.20 变面积式位移传感器结构图 2电容式压力传感器 该压力传感器可用于测量微小压差。 3电容测厚仪 电容测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。在板材轧 制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况。 图 4.21 差动电容式压力传感器原理图 图 4.22 电容测厚仪工作原理 小 结 变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传 感器。它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好 等优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 只要固定平行板电容器 3个参量 d、 S、 e 中的两个，只要另外一 个参数改变，则电容量就将产生变化，所以电容式传感器可以分 成 3种类型：变面积式、变间隙式与变介电常数式。 电容传感器的输出电容值一般十分微小，几乎都在几皮法至几 十皮法之间，因而必须借助于一些测量电路，将微小