N-33电容式传感器

1、什么是电容器？什么是电容器？电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。真空隔开的电导体构成。电容电容导体上的电荷导体上的电荷导体之间的电压差导体之间的电压差QCV电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量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。、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、电容式传感器可用于测量压力、位

2、移、振动、液位、厚度。液位、厚度。3.3 电容式传感器电容式传感器3.3.1 3.3.1 电容式传感器的工作原理及分类电容式传感器的工作原理及分类3.3.2 3.3.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路3.3.3 3.3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3.4 3.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用1F=106F=109 nF=1012 pF1. 工作原理工作原理0 rSSCdd S S 极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积； d d 极板间距离；极板间距离；r r相对介电常数；相对介电常数；0 0真空介电常数（真空介电常数（8.85pF/m8.85pF

3、/m）；）； 电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。 Sr为相对介电常数为相对介电常数S S为极板相对覆盖面积为极板相对覆盖面积m m2 2 d d为极板间距为极板间距电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变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。平面介电常数式、圆筒介电常数式。 0 rSSCdd 2. 变面积型电容传感器变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度当动极板相对于定极板沿着长度方向平移

4、时，其电容变化量化为方向平移时，其电容变化量化为0000()rrrax bCCCdabxbdd C与与x间呈线性关系间呈线性关系 变面积式电容传感器的两个极板变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为极板，另一个是可移动的，称为动极板。动极板。1直线位移式直线位移式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： 为提高测量精度，也常用如下图所示的结构形式，为提高测量精度，也常用如下图所示的结构形式，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。引起的测量误差

5、。0CxCaCbKxd中间极板移动变面积中间极板移动变面积式电容传感器原理图式电容传感器原理图2角位移式角位移式0000dsCr0000(1)(1)rsCCd 当当=0时时 当当0时时传感器电容量传感器电容量C与角位移与角位移间呈线性关系，但如果输出间呈线性关系，但如果输出是是 ， 则是非线性关系。则是非线性关系。 01Xj C当被测的变化量使动极板有一角当被测的变化量使动极板有一角位移位移时，两极板间互相覆盖的时，两极板间互相覆盖的面积被改变，从而改变两极板间面积被改变，从而改变两极板间的电容量的电容量C。 1 1平面式平面式 02010021)(dLLLbCCCrr3. 变介电常数型电容式

6、传感器变介电常数型电容式传感器0000000100dbLdbLCr当当L=0时，传感器的初始电容时，传感器的初始电容 02000) 1(LLCCCCCr当被测电介质进入极板间当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化深度后，引起电容相对变化量为量为电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移动量L呈线性关系呈线性关系 若被测介质的介电常数若被测介质的介电常数 x已知，测出输出电已知，测出输出电容容C的值，可求出待测材料的厚度的值，可求出待测材料的厚度x。若厚度。若厚度x已知，测出输出电容已知，测出输出电容C的值，也可求出待测的值，也可求出待测材料的介电常数材料的介电常数 x。因此，可将此

7、传感器用。因此，可将此传感器用作介电常数作介电常数 x测量仪。测量仪。 测厚仪测厚仪 xdSCCCCCxxx)(21212 2圆柱式圆柱式 电介质电容器大多采用圆柱式电介质电容器大多采用圆柱式其基本结构如图所示，内外筒其基本结构如图所示，内外筒为两个同心圆筒，分别作为电为两个同心圆筒，分别作为电容的两个极。容的两个极。 圆柱式电容器结构图圆柱式电容器结构图电容式液面计电容式液面计dDHCln20初始电容初始电容 如图示为一种电容式液面计的原理图。在介电常数为如图示为一种电容式液面计的原理图。在介电常数为 x的被测液体中，放入该圆柱式电容器，液体上面气的被测液体中，放入该圆柱式电容器，液体上面气

8、体的介电常数为体的介电常数为 ，液体浸没电极的高度就是被测量液体浸没电极的高度就是被测量x电容与液位的关系为：电容与液位的关系为： bxaCCC212()2()22()2x0lnlnlnlnlnxxxhxhxxCCDDDDDddddd液面计的输出电容液面计的输出电容C与液面高度与液面高度x成线性关系成线性关系电容式液位传感器电容式液位传感器 基本结构基本结构电容的相对变化量和灵敏度分别为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差动式电容的相对变化量和灵敏度分别为别为与基本结构间隙式传感器相比，差动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式传感器的

9、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。在实际应用中被较多采用。 基本的变间隙式电容基本的变间隙式电容传感器传感器差动结构的变间隙差动结构的变间隙电容传感器电容传感器00CdCd0200CCSKddd002CdCd020022CCSKddd4. 变极距型电容传感器变极距型电容传感器变极距变极距( (）型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 3.3 电容式传感器电容式传感器3.3.1 3.3.1 电容式传感器的工

10、作原理及分类电容式传感器的工作原理及分类3.3.2 3.3.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路3.3.3 3.3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3.4 3.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用1F=106F=109 nF=1012 pF3.3.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路L：包括引线电缆电感和电容式传包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；感器本身的电感；r：由引线电阻、极板电阻和金属由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；支架电阻组成；C0：为传感器本身的电容为传感器本身的电容;Cp：为引线电缆、所接测量电路及为引线电缆、所接测量

11、电路及极板与外界所形成的总寄生电容极板与外界所形成的总寄生电容;Rg：是极间等效漏电阻、极板间的是极间等效漏电阻、极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗间的漏电损耗和介质损耗.rC0CPRgL低频等效电路低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和r的影响可忽略的影响可忽略等效电容等效电容C=C0+Cp，等效电阻等效电阻ReRg CRg高频等效电路高频等效电路 电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和r的影响不可忽略，漏电的影的影响不可忽略，漏电的影响可忽略响可忽略 ，其中，其中C=C0+Cp，而，而rer reCLRC

12、jLjCje11LCCCe21由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此很小可以忽略，因此 此时电容传感器的等效灵敏度为此时电容传感器的等效灵敏度为 2222)1 ()1/(LCkdLCCdCkgee当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由度由kg变为变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随）有关，且随变化而变化。变化而变化。 3.3 电容式传感器电容式传感器3.3.1

13、 3.3.1 电容式传感器的工作原理及分类电容式传感器的工作原理及分类3.3.2 3.3.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路3.3.3 3.3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路3.3.4 3.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用1F=106F=109 nF=1012 pF3.3.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路 (1) (1) 电桥电路电桥电路(2) (2) 运算放大器电路运算放大器电路(3) (3) 脉宽调制电路脉宽调制电路(4) (4) 调频电路调频电路(5) (5) 双双T T型电桥电路型电桥电路1 1交流电桥电路交流电桥电路 （1 1）

14、单臂桥式电路）单臂桥式电路（2 2）差动接法变压器交流电桥电路）差动接法变压器交流电桥电路 单臂接法交流电桥电路单臂接法交流电桥电路变压器交流电桥电路变压器交流电桥电路00oss000CCCCCUUUCCCCC () ()() ()2. 运算放大器式电路运算放大器式电路 ：能克服变极距型电容传感器的：能克服变极距型电容传感器的非线性非线性 C Cx x是传感器电容是传感器电容C C是固定电容是固定电容u u0 0是输出电压信号是输出电压信号 运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图uC-ACxu0由运算放大器工作原理可知由运算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/

15、 ()( )/xCSd0 uCudS 假设放大器开环放大倍数假设放大器开环放大倍数A= ，输入阻抗，输入阻抗Zi= 。因此。因此仍然存在一定的非线性误差，但一般仍然存在一定的非线性误差，但一般A和和Zi足够大，所足够大，所以这种误差很小。以这种误差很小。 调零电路调零电路3. 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 电路的工作原理：利用对传感器电容的电路的工作原理：利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化电容量变化而变化; ;通过低通滤波器就能得到对应被测量变通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号。化的直流信号。 （a）C1 =

16、C2 （b）C1 C2电路各点的充放电波形电路各点的充放电波形 当电阻当电阻R1 1 = = R2 = = R 时，则有时，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。化成线性关系。 12oH12CCUUCCuAB经低通滤波后，就可得到一直流电压经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为为 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中式中UA、UBA点和点和B点的矩形脉冲的直流分量；点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 分别为分别为C1和和C2的充电时间；的充电时间； U1触发器输出的高电位。触发

17、器输出的高电位。C1、C2的充电时间的充电时间TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln式中式中 Ur触发器的参考电压触发器的参考电压 设设R1=R2=R，则得，则得 UCCCCUr01212：设电容设电容C1和和C2的极间距离和面积分别为的极间距离和面积分别为d1、d2和和S1、S2 差动变极距型差动变极距型差动变面积型差动变面积型 21021EddUUddEUSSSSU12210差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器并具有理论上的线性特性电容式传感器并具有理论上的线性特性 1 1载波频率改变的调幅调频式载波频率改变的调幅调频式该测

18、量电路把电容式传感器与一个电感元件配合，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。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调频振荡器的振荡频率调频调频- -鉴频电路原理图鉴频电路原理图 12fLC4. 调频电路调频电路4. 调频电路调频电路)(212101CCCCLLCfi

19、当被测信号为零时，当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率，振荡器有一个固有振荡频率f0，)(21010CCCLfi当被测信号不为零时，当被测信号不为零时，c0，此时频率为，此时频率为 ffCCCCLfi001)(21具有较高的灵敏度，可测至具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 5. 二极管双二极管双T型电路型电路 电源为正半周电源为正半周D1短路短路D2开路，开路，电容电容C1被充电被充电影响不予考虑，影响不予考虑，电容电容C2的电压的电压初始值为初始值为UE 若二

20、极管理想化，当电源为正半周时，电路等效若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路成一阶电路UERRRULLEiC2C2U0RRLR供电电压是幅值为供电电压是幅值为U UE E、周期为、周期为T T、占空比为、占空比为50%50%的方的方波可直接得到电容波可直接得到电容C C2 2的电流的电流i iC C2 2如下如下: : ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112ddiURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在在 R+(RRR+(RRL L)/(R+R)/(R+RL L) ) C C2 2T/2T/2时，电流时，电流i iC C2 2的

21、平均值的平均值I IC C2 2可以写成可以写成 故在负载故在负载R RL L上产生的电压为上产生的电压为 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得负半周时电容同理，可得负半周时电容C C1 1的平均电流的平均电流I IC C1 1为为 ITRRRRU CCLLE1112 电路的特点 :线路简单，可全部放在探头内，大大缩线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；短了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；它们高度稳定；输出阻抗为输出阻抗为

22、R R，而与电容无关，克服了电，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器电容式传感器 。 优点：优点：采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也不高 实际中存在的问题及其解决办法实际中存在的问题及其解决办法 1 1温度影响温度影

23、响 应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做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。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。陶瓷、石英等高绝缘电阻、低吸湿性材料。 2 2电场的边缘效应电场的边缘效应 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，可考虑加装等的影响；当检测精度要求很高时，可考虑加装等位环，如图所示，即在

24、极板周边外围的同一平面位环，如图所示，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。布均匀，以消除边缘效应的影响。3 3寄生电容的影响寄生电容的影响（1 1）减小引线长度。）减小引线长度。 （2 2）屏蔽。）屏蔽。极板周边加装同心圆环示意图极板周边加装同心圆环示意图 3.3 电容式传感器电容式传感器3.3.1 3.3.1 电容式传感器的工作原理及分类电容式传感器的工作原理及分类3.3.2 3.3.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路3.3.3 3.3.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器

25、的测量电路3.3.4 3.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用1F=106F=109 nF=1012 pF3.3.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 (1) 电容式差压传感器电容式差压传感器(2) 电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器(3) 电容式加速度传感器电容式加速度传感器P2玻璃盘玻璃盘镀金层镀金层金属金属膜片膜片C2电极引线电极引线p1C1 结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快(约约100ms)能测微小压差能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5

26、Pa)即可即可 231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定极板固定极板 2壳体壳体 3簧片簧片 4 质量块质量块 6 绝缘体绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 小小 结结 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。工作。只要固定平行板电容器

27、只要固定平行板电容器3 3个参量个参量d d、S S、e e 中的两个，只要另外中的两个，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可以分成3 3种类型：变面积式、变间隙式与变介电常数式。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，将微小的电几十皮法之间，因而必须借助于一些测量电路，将微小的电容值成比例地转换为电压、电流或频率信号。选择测量电路容值成比例地转换为电压、电流或频率信号。选择测量电路时，可根据电容传感器的变化量，选择合适的电路。时，可根据电容传感器的变化量，选择合适的电路。由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的影响，可能使由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的影响，可能使电容传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作，因此电容传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作，因此使用时要引起注意。使用时要引起注意。返回目录返回目录电容传