第3章 电容传感器

1、第三章第三章 电容式传感器电容式传感器3.1 电容传感器的结构原理3.2 电容传感器的性能改善3.3 电容式传感器的测量电路3.4 电容式传感器的应用第三章 电容式传感器 电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大，应用于压力、液面、料面、成分含量等方面的测量。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等一系列优点，因此，在自动检测技术中占有很重要的地位。.电容传感器的结构原理电容传感器的基本原理 ： 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

2、, 其电容量为 式中: 电容极板间介质的介电常数, =0r, 其中0为真空介电常数, r为极板间介质相对介电常数; A两平行板所覆盖的面积; d两平行板之间的距离。 dAc.电容传感器的结构原理 电容传感器的分类： 变间隙式，变面积式，变介电常数式。图3-1给出几种常见的电容传感器。下面分别介绍这几种传感器的结构原理及输出特性。.电容传感器的结构原理。图3-1 几种不同电容传感器的示意图.电容传感器的结构原理图3-2 变间隙式电容传感器示意图.电容传感器的结构原理 图3-3 加入云母介质的电容.电容传感器的结构原理图3-4 变面积型电容传感器原理图3.3电容传感器的测量电路 电容式传感器的输出

3、电容值非常小（通常几皮法至几十皮法），因此不便直接显示、记录，更难以传输，为此，需要借助测量电路来检测这一微小的电容量，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。测量电路的种类很多，下面介绍常用的几种测量电路。 3.3电容传感器的测量电路3.3.1 运算放大器式电路 图3-7所示为基本的运算放大器式电路，它由传感器电容Cx、固定电容C0及运算放大器A组成。其中 为电源电压， 为输出电压。 由于集成运放开环增益很高，所以它构成的基本运算电路均可认为是深度负反馈电路，运放两输入端之间满足“虚短”和“虚断”，根据这两个特点很容易得出下式:sUoU0sxoCj1Cj1UU3.3电容传感器的测量电路即

4、:将 代入上式可得 :x0soCCUUdSCxdSCUU0so图3-7 运算放大式电路3.3电容传感器的测量电路3.3.2 电桥电路 图3-8所示为交流电桥测量电路。图3-8（a）为单臂接法的交流电桥测量电路，其中电容C1，C2，C3，Cx构成电容桥的四臂，Cx为电容传感器。 高频电源 经变压器接到电容桥的一个对角线上，从桥路的另一个对角线取输出电压 。 当电容式传感器输入的被测量x=0，输出Cx=C时， 交流电衡，有: sUoU321CCCCx3.3电容传感器的测量电路.图3-8 电容传感器的交流电桥3.4电容式传感器的应用 1.1.电容式压力传感器电容式压力传感器 图3-14是一种典型的差

5、动式电容压力传感器的结构图，该传感器主要由一个活动电极、两个固定电极和三个电极的引出线组成。动电极为圆形薄金属膜片，它既是动电极，又是压力的敏感元件；固定电极为两块中凹的玻璃圆片，在中凹内侧，即相对金属膜片侧镀上具有良好导电性能的金属层。 电容式压力传感器的工作原理为：当被测压力（或压差）作用于测量膜片（电容器的动片）而产生位移时，电容器的电容量也随之发生变化，经过测量电路，转换成相应的电压或电流的变化。3.4电容式传感器的应用.图3-14 差动式电容压力传感器3.4电容式传感器的应用 2 2电容式加速度传感器电容式加速度传感器 图3-15是一种空气阻尼的电容式加速度计。该传感器有两个固定极板

6、，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上的直线加速度时，质量块在绝对空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块产生位移，此位移大小正比于被测加速度，使C1，C2中一个增大，一个减小。 用于汽车安全气囊 导弹或炸弹的延时起爆3.4电容式传感器的应用.图3-15 电容式加速度传感器3.4电容式传感器的应用 3 3电容式液位传感器电容式液位传感器 电容式液位传感器是将被测介质液面变化转换为电容量变化的一种介质变化型电容式传感器。 图3-16（a）是用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器。当被测液面变化时，两电极间的介电常数发生变化，从而导致电容量的变化。 图3-16（b）适用于测量导电液体的液位。液面变化时相当于外电极的面积在改变，这是一种变面积型电容传感器。3.4电容式传感器的应用. 图3-16 电容液位传感器3.4电容式传感器的应用 4.4.电容式料位传感器电容式料位传感器 图 3 - 17 是电容式料位传感器结构示意图。 测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。 当罐内放入被测物料时, 由于被测物料介电常数的影响, 传感器的电容量将发生变化, 电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关, 且成比例变化。检测出这种电容量的变化就