第3章电容式传感器及应用

1、2021-11-121第第3 3章章 电容式传感器及应用电容式传感器及应用2021-11-122引言引言n电容式传感器是将被测非电量的变化转电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器。化为电容变化量的一种传感器。 n结构简单、分辨力高、可非接触测量，结构简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作件下工作 。n很有发展前途的传感器很有发展前途的传感器 。2021-11-123目录目录n3.1电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型 n3.2电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路 n3.3电容式传感

2、器的应用电容式传感器的应用 2021-11-1243.1电容式传感器工作原理及类型电容式传感器工作原理及类型n由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为n保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数，保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。过测量电路就可转换为电量输出。n电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式积式和变介质

3、式3种类型。种类型。 ACd2021-11-1253.1.1 变面积式电容传感器变面积式电容传感器 n面积变化式电容传感器在工作时的极距、面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。效作用面积发生改变。n变面积式电容传感器的两个极板中，一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。是可移动的，称为动极板。2021-11-126面积变化型电容传感器原理面积变化型电容传感器原理 2021-11-127（a）为平板形位移电容传感器。）为平板

4、形位移电容传感器。 n设两个相同极板的长为设两个相同极板的长为b，宽为，宽为a，极板，极板间距离为间距离为d，当动极板移动，当动极板移动x后，电容后，电容Cx也随之改变。也随之改变。n电容的相对变化量和灵敏度为电容的相对变化量和灵敏度为nn 0()xax babxbCCCddd-0CxCaCbKxd 2021-11-128差动结构形式差动结构形式 n提高测量精度提高测量精度 ，减少动极板与定极板之，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间的相对极距可能变化而引起的测量误差。差。 中间极板移动变面积式电容传感器原理 2021-11-129（c）为角位移形式的电容传感器。）为角位移

5、形式的电容传感器。 n当动极板有一角位移时，两极板的相对当动极板有一角位移时，两极板的相对面积面积A也发生改变，导致两极板间的电容也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化量发生变化 当 时 当 时 000ACd000(1)(1)ACCd2021-11-1210推导过程推导过程n电容与角位移成线性关系。其灵敏度为电容与角位移成线性关系。其灵敏度为n变面积式电容传感器的输出是线性的，变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度灵敏度K是一常数。是一常数。 ddCAKd 2021-11-12113.1.2 变极距式电容传感器变极距式电容传感器 n两极板的有效作用面积及极板间的介质两极板的有效作用面积及极

6、板间的介质保持不变，则电容量保持不变，则电容量C随极距随极距d按非线性按非线性关系变化，关系变化， 2021-11-1212电容值电容值 n动极板动极板2未动时传感器初始电容未动时传感器初始电容n（ ）。）。 n当动极板当动极板2移动移动x值后，值后， xC00ACd0C00000(1)1xCAxCCxdxdxd2021-11-1213结论分析结论分析n当当 时时n n电容与电容与x 近似线性关系，但量程缩小很近似线性关系，但量程缩小很多，变极距式电容传感器的灵敏度为多，变极距式电容传感器的灵敏度为n 0 xd00(1)xxCCd0200ddCCAKxdd2021-11-1214n极距变化型电

7、容传感器的灵敏度与极距极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小灵敏度越高。的平方成正比，极距越小灵敏度越高。但但 过小，容易引起电容器击穿或短路。过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。（云母、塑料膜等）作介质。 n原理上的非线性原理上的非线性 ，要修正。，要修正。n差动工作方式，电容传感器的灵敏度提差动工作方式，电容传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了很大的改善，高了一倍，非线性得到了很大的改善， 0d2021-11-1215结论结论n极距变化型电容传感器的优点是可实现极距变化型电容传感器

8、的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高（可达敏度和精度极高（可达nm级），适应于级），适应于较小位移（较小位移（1nm1 m）的精度测量。）的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容（如电缆电容、分布电容等）路杂散电容（如电缆电容、分布电容等）的影响显著，为改善这些问题而需配合的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂使用的电子电路比较复杂 2021-11-12163.1.3 变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 n介质变化型电容传感器的极距、有效作介质变化型电容传感

9、器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。间的介质情况发生变化。n主要用来测量两极板之间的介质的某些主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。液位等。2021-11-1217介质变化型电容传感器结构介质变化型电容传感器结构 2021-11-1218结论结论n传感器的灵敏度为常数，电容传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与理论上与液面液面h成线性关系，只要测出传感器电容成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位的大小，就可得到液位h。 2021-11-121

10、93.2电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路n电容传感器将被测量的变化转换成电容电容传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还需由后接的转换电路将电的变化后，还需由后接的转换电路将电容的变化进一步转换成电压、电流或频容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。率的变化。 2021-11-1220转换电路的组成部分转换电路的组成部分n1交流电桥交流电桥 n2调频电路调频电路 n3运算放大式电路运算放大式电路 n4脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 n5二极管双二极管双T型交流电桥型交流电桥 2021-11-12211交流电桥交流电桥n将电容传感器的两个电容作为交流电桥将电容传感器的两个电容

11、作为交流电桥的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由电阻用由电阻-电容、电感电容、电感-电容组成的交流电容组成的交流电桥，图电桥，图3-6为电感为电感-电容电桥。电容电桥。 2021-11-1222分析分析n变压器的两个二次绕组变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电与差动电容传感器的两个电容容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的作为电桥的4个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，

12、获得与被测量变化相敏检波、滤波后，获得与被测量变化相对应的输出，最后为仪表显示记录。相对应的输出，最后为仪表显示记录。 2021-11-12232调频电路调频电路n把传感器接入调频振荡器的把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络谐振网络中，被测量的变化引起传感器电容的变中，被测量的变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化。化，继而导致振荡器谐振频率的变化。频率的变化经过鉴频器转换成电压的变频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。化，经过放大器放大后输出。 2021-11-12242调频电路的特点调频电路的特点n测量电路的灵敏度很高，可测测量电路的灵敏度很高，可测0

13、.01 m的的位移变化量，抗干扰能力强（加入混频位移变化量，抗干扰能力强（加入混频器后更强），缺点是电缆电容、温度变器后更强），缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，输出电压化的影响很大，输出电压U0与被测量之与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂。此电路比较复杂。 2021-11-12253运算放大式电路运算放大式电路n极距变化型电容传感器的电容与极距之极距变化型电容传感器的电容与极距之间的关系为反比关系，传感器存在原理间的关系为反比关系，传感器存在原理上的非线性。利用运算放大器的反相比上的非线性。利用运算放大器的反相比例运算可以使转换电路

14、的输出电压与极例运算可以使转换电路的输出电压与极距之间关系变为线性关系，从而使整个距之间关系变为线性关系，从而使整个测试装置的非线性误差得到很大的减小。测试装置的非线性误差得到很大的减小。 2021-11-1226特点特点n运算式电路的原理较为简单，灵敏度和运算式电路的原理较为简单，灵敏度和精度最高。但一般需用精度最高。但一般需用“驱动电缆驱动电缆”技技术来消除电缆电容的影响，电路较为复术来消除电缆电容的影响，电路较为复杂且调整困难。杂且调整困难。2021-11-12274脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路n脉冲宽度调制电路（脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感）是利用传感器的电容充放电使电路输

15、出脉冲的占空器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，比随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量然后通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。变化的直流信号。 2021-11-12282021-11-1229特点特点n能获得线性输出；双稳态输出信号一般为能获得线性输出；双稳态输出信号一般为100kHz1MHz的矩形波，所以直流输出只的矩形波，所以直流输出只需经滤波器简单引出，不需要解调器，即能获需经滤波器简单引出，不需要解调器，即能获得直流输出。电路采用稳定度较高的直流电源，得直流输出。电路采用稳定度较高的直流电源，这比其他测量线路中

16、要求高稳定度的稳频、稳这比其他测量线路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电源易于做到。如果将双稳态触发器幅的交流电源易于做到。如果将双稳态触发器Q端的电压信号送到计算机的定时、计数引脚，端的电压信号送到计算机的定时、计数引脚，则可以用软件来测出占空比则可以用软件来测出占空比q，从而计算出，从而计算出C的数值。这种直接采用数字处理的方法不受电的数值。这种直接采用数字处理的方法不受电源电压波动的影响源电压波动的影响 2021-11-12305二极管双二极管双T型交流电桥型交流电桥n二极管双二极管双T型交流电桥电路原理图。型交流电桥电路原理图。e是是高频电源，它提供幅值为高频电源，它提供幅值为Ui的对

17、称方波，的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的为特性完全相同的2个二极个二极管，管，R1=R2=R，C1、C2为传感器的两为传感器的两个差动电容。个差动电容。 2021-11-12313.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用n电容式传感器不但应用于位移、振动、电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。料位、湿度、成分含量等参数的测量。2021-11-1232分类分类n1电容式接近开关电容式接近开关 n2电容式油量表电容式油量

18、表 n3电容式差压传感器电容式差压传感器 n4电容测厚仪电容测厚仪 2021-11-12331电容式接近开关电容式接近开关1检测极板 2充填树脂 3测量转换电路 4塑料外壳5灵敏度调节电位器 6工作指示灯 7信号电缆2021-11-1234工作过程（工作过程（1）n检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量极时，检测板与大地间的电容量C非常小，它非常小，它与电感与电感L构

19、成高品质因数（构成高品质因数（Q）的）的LC振荡电路，振荡电路，Q=1（CR）。当被检测物体为地电位的导）。当被检测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）时，检测极板对地电容等）时，检测极板对地电容C增大，增大，LC振荡电振荡电路的路的Q值将下降，导致振荡器停振。值将下降，导致振荡器停振。 2021-11-1235工作过程（工作过程（2）n当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应

20、，而交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效电容量增大，使对地等效电容量增大，使LC振荡电路的振荡电路的Q值降值降低。对能量损耗较大的介质（如各种含水有机低。对能量损耗较大的介质（如各种含水有机物），它在高频交变极化过程中是需要消耗一物），它在高频交变极化过程中是需要消耗一定能量的，该能量是由定能量的，该能量是由LC振荡电路提供的，必振荡电路提供的，必然使然使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的小。当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的

21、Q值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压U0的大小，可大致判定被测物接近的程度。的大小，可大致判定被测物接近的程度。 2021-11-1236电容式接近开关2021-11-12372电容式油量表电容式油量表1油料 2电容器 3伺服电机 4减速器 5指示表盘2021-11-1238工作原理工作原理n当油箱中注入油时，液位上升至当油箱中注入油时，液位上升至h处，电容的变化量处，电容的变化量CX与与h成正比，电容为成正比，电容为CX=CX0+CX。此时，电。此时，电桥失去平衡，电桥的输出电压桥失去平衡，电桥的输出电压U0经放大后驱动伺服电经放大后驱动伺服电动机，

22、由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动机，由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动动RP滑动，使滑动，使RP的阻值增大，当的阻值增大，当RP阻值达到一定值阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，伺服电动机，伺服电动机停转，指针停留在转角停转，指针停留在转角X1处。可从油量刻度盘上直处。可从油量刻度盘上直接读出油位的高度接读出油位的高度h。n当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动针偏转，同时带动RP滑动，使其阻值减少。当滑动，使其阻值减少。当RP阻阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，