第5章 电容式传感器课件

1、概述概述概述概述电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器概述概述电容式传感器典型应用电容式传感器典型应用硅微电容式传感器硅微电容式传感器测量管道液位高度测量管道液位高度5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型v 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容器电容器 C C 可以通过改变可以通过改变 S S 面积，面积，称变面积型传感器称变面积型传感器 距离，距离，称变极距型传感器称变极距型传感器 介质，介质，称变介质型传感器称变介质型传感器

2、0 rssC 5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变极距型传感器变极距型传感器5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变面积型传感器变面积型传感器5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变介质型传感器变介质型传感器5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性1 1 变极距型（变极距型（） 0rssC 00sC初始电容初始电容00CCC 当当 减小减小 时时 电容电容 C C 增加增加 CC0CCC当当 时，用泰勒级数展开时，用泰勒级数展开 01 23000001()()CC0001CC电容相对变化电容相对变化0001CsC5.2 电容传感器输

3、出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（）忽略高次项忽略高次项001CC5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（）0CCKv 传感器灵敏度传感器灵敏度5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（）05.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（ ）210001()CC 220001()CC 上静片上静片下静片下静片动片动片5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（ ）电容的相对变化量电容的相对变化量 24000021()()CC 002CC3120002()

4、CCCC电容的总的变化量电容的总的变化量5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性1 1 变极距型（变极距型（）结论：结论： 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍， 非线性误差减小（多乘非线性误差减小（多乘 因子）。因子）。 0/0012CCK 传感器（差动式）灵敏度传感器（差动式）灵敏度 20()100%L 相对非线性误差为相对非线性误差为 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 2 2 变面积型（变面积型（S S） 平板电容：当动极板移动平板电容：当动极板移动X X后两极板间电容量为：后两极板间电容量为：000()b axbxCCxCC

5、a0abC0CxCa 初始电容初始电容电容的相对变化量电容的相对变化量 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 2 2 变面积型（变面积型（S S） 结论：结论： 变面积式电容传感器灵敏度变面积式电容传感器灵敏度K K为常数；为常数； 输出特性为线性；输出特性为线性； 适合大位移测量。适合大位移测量。v 平板变面积型电容传感器灵敏度平板变面积型电容传感器灵敏度CbKX 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 3 3 变介电常数式（变介电常数式（） 当某种介质在两固定极板之间运动时，当某种介质在两固定极板之间运动时， 电容量与介质参数之间的关系为：电容量与介质参数之间的关系为：0rs

6、Cddr变介电常数式电容传感器分几种情况：变介电常数式电容传感器分几种情况： 测介电常数测介电常数 ； 测厚度测厚度d dd动片动片5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 3 3 变介电常数式（变介电常数式（ ） d d为运动介质的厚度，为运动介质的厚度，d d保持不变，改变保持不变，改变 可作为介电常数的测试仪器。可作为介电常数的测试仪器。0r 0()rrsCdd01(1)rCdC 介电常数介电常数 保持不变，保持不变，d d改变，可作为测厚仪器。改变，可作为测厚仪器。5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 3 3 变介电常数式（变介电常数式（ ） 测液位高度测液位高度（根据液体

7、容器的形状计算）（根据液体容器的形状计算）5.3 5.3 测量电路测量电路1.1.电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路 电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示 记录，必须将电容变化记录，必须将电容变化转换为转换为电流、电压的变化。电流、电压的变化。电容传感器的等效电路包括电容传感器的等效电路包括: : 传输线的电感传输线的电感L L0 0、电阻电阻R R（小）（小）; ; 传感器电容传感器电容C C0 0 ，A A、B B两端分布电容两端分布电容CpCp，极板等效漏，极板等效漏 电阻电阻RgRg。5.3 5.3 测量电路测量电路1.1.电容

8、传感器的等效电路电容传感器的等效电路 驱动电缆技术：提高电容传感器的稳定性，驱动电缆技术：提高电容传感器的稳定性， 克服寄生电容耦合，克服寄生电容耦合，n原理是：原理是： 连接电缆采用双层屏蔽连接电缆采用双层屏蔽 内屏蔽与被屏蔽的导线内屏蔽与被屏蔽的导线 的电位相同。从而消除的电位相同。从而消除 引线与内屏蔽之间的电引线与内屏蔽之间的电 容。容。 5.3 5.3 测量电路测量电路1.1.电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路 驱动电缆技术是一种驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法，（跟随等电位屏蔽法，（跟随器）使传输电缆与内屏器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，消除芯线蔽层等电位，消除芯线对内层屏蔽层

9、的容性漏对内层屏蔽层的容性漏电，从而消除寄生电容电，从而消除寄生电容的影响。的影响。 运算放大器驱动法运算放大器驱动法5.3 5.3 测量电路测量电路2.2.电桥电路电桥电路 电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。 单臂时，传感器单臂时，传感器C C邻臂接一个固定电容相匹配；邻臂接一个固定电容相匹配； 差动式传感器差动式传感器 是两个臂。是两个臂。12,C C12CC10sC20sC 极板在中间位置时极板在中间位置时5.3 5.3 测量电路测量电路2.2.电桥电路电桥电路 002EUv 输出与位移成理想线性关系输出与位移成理想线性关系12021

10、2ZZEUZZ120212CCEUCC111Zjc 交流电桥的输出电压为：交流电桥的输出电压为：5.3 5.3 测量电路测量电路2.2.电桥电路电桥电路 交流电桥的多种形式交流电桥的多种形式5.3 5.3 测量电路测量电路3. 3. 二极管双二极管双T T型电路型电路 VE VE高频对称方波电源，高频对称方波电源， D1D1、D2D2特性相同二极管特性相同二极管 C1C1、C2C2传感器差动电容传感器差动电容 R R固定电阻，固定电阻，R RL L负载。负载。 一个周期内一个周期内R RL L上的平上的平 均值电压：均值电压： 122(2)()()LRLLELR RRUR Uf ccRR5.3

11、 5.3 测量电路测量电路3. 3. 二极管双二极管双T T型电路型电路 双双T T型电路型电路工作原理分析工作原理分析 正半周正半周D1D1导通导通D2D2截止截止C1C1充电；充电； 负半周负半周D1D1截止截止D2D2导通导通C2C2充电；充电；v 一个周期内负载一个周期内负载R RL L上输出上输出 电压电压U URLRL与电源电压与电源电压V VE E幅值、幅值、 频率频率f f有关有关; ;与电容的差值与电容的差值 (C1-C2)(C1-C2)成正比成正比 5.3 5.3 测量电路测量电路4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 波形图波形图 电路原理图电路原理图 电路分析：电路分析

12、： 12120111121212ABTTTTUUUUUUTTTTTT5.3 5.3 测量电路测量电路4 4差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 电路组成：电路组成： A1A1、A2A2比较器；比较器； 双稳态触发器；双稳态触发器； VD1VD1、VD2VD2与电阻；与电阻； 组成充放电回路；组成充放电回路；UfUf参考直参考直 流电压；流电压； 双稳态作输出；双稳态作输出； 电容电容C1C1、C2C2为传感器差动电容。为传感器差动电容。5.3 5.3 测量电路测量电路5 5运算放大器式电路运算放大器式电路 Cx Cx传感器电容传感器电容, , Co Co固定电容固定电容 0 xsC000SCIUI

13、 Xj c 0 xxCxIUI Xj c 输入端输入端输出端输出端设设K为理想运放为理想运放5.3 5.3 测量电路测量电路5 5运算放大器式电路运算放大器式电路 u对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为： 000SCUUs 5.3 5.3 测量电路测量电路5 5调频电路调频电路 谐谐振振曲曲线线5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 1.1.电容式料位计电容式料位计 用于水泥、化工、罐装用于水泥、化工、罐装 等传感器静电容：等传感器静电容：0022 ()lnlnSXhChDDdd 10CCC 电容测深度、角度电容测深度、角度

14、动画演示动画演示5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 2 2电容式压力传感器电容式压力传感器 结构：结构： 测量膜片（金属弹性膜片）测量膜片（金属弹性膜片） 动片；动片； 两个玻璃球面上镀有金属两个玻璃球面上镀有金属 定片；定片； 膜片两侧左右两定中充满硅油。膜片两侧左右两定中充满硅油。 工作过程：工作过程： 当两室分别承受低压（当两室分别承受低压（PLPL） 和高压（和高压（PHPH）时，硅油能将）时，硅油能将 压差压差 传递到传递到 测量膜片，测量膜片，HLPPP5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 2 2电容式压力传感器电容式压力传感器 当

15、当PH=PLPH=PL时，膜片处于中间位置，时，膜片处于中间位置，C1=C2C1=C2； 当有差压作用时，测量膜片产生形变：当有差压作用时，测量膜片产生形变： PH PLPH PL时，膜片时，膜片PLPL向弯曲，向弯曲，C1C2C1C2，；，； PH PLPH C2C1C2； 将这种电容变化通过电路转换为电压变化将这种电容变化通过电路转换为电压变化 5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 2 2电容式压力传感器电容式压力传感器 电容传感器盒膜结构片电容传感器盒膜结构片5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 3 3电容测厚仪电容测厚仪 电容测厚仪用于测

16、量金电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚属带材在轧制过程中的厚度变化。度变化。 带材是电容的动极板，带材是电容的动极板，总电容总电容C1+C2C1+C2作为桥臂。作为桥臂。 带材只是上下波动时带材只是上下波动时Cx=C1+C2Cx=C1+C2总的电容量不变；总的电容量不变；带材的厚度变化使电容带材的厚度变化使电容CxCx变化。变化。 5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 4 4电容测位移电容测位移 5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 5.5.力平衡式加速度传感器力平衡式加速度传感器 力平衡式传感器是先将被测量转换成力或力力平衡式传感器是先将被测量转换成力或力矩然后用反馈力与它平衡的闭环传感器，可测矩然后用反馈