第4章 电容式传感器课件

1、第4章 电容式传感器 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。优点：结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高 温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作；可非接触测量；灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量；极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度；缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。 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及补充材料 1F=106F=109 nF=1012 pF第4章 电容式传感器4.1 电容式传感器的工作原理4.1.1、变面积式电容传感器 4.1

2、.2、变间隙式电容传感器 4.1.3、变介电常数式电容传感器第4章 电容式传感器一、工作原理及结构类型 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。 多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应，电容器的电容量 ：S 两平行极板所覆盖的面积；D 两平行极板之间的距离； 极板间介质的介电常数；0 真空介电常数（8.85410-12 Fm-1）r 介质相对真空的介电常数， r空气1，其它介质r 1。 当被测量使得S 、d 或 发生变化时，电容量C 也随之变化。一般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。dSdSCr0第4章 电容式传

3、感器变面积式变面积式( (变变s)s)变间隙式变间隙式( (变变d)d)变介电常数变介电常数( (变变s)s)u 电容式传感器可分为三种类型：第4章 电容式传感器（a）、（b）变间隙式；（c）、（d）、（e）、（f）变面积式；（g）、（h）变介电常数式第4章 电容式传感器1、变面积式电容传感器 包括角位移和线位移（平面线位移、圆筒线位移） 第4章 电容式传感器1）. 直线位移式 极板起始覆盖面积为Sab， 沿活动极板宽度方向移动 x，则改变了两极间覆盖面积。忽略边缘效应，改变后的电容量为初始电容：dabC0 xdbCdxbbadxabCx0)(axCxdbCCCx00C与x成线性关系图4.2

4、变面积型电容传感器原理图第4章 电容式传感器u 增加极板长度b、减小极板间距d都可以提高灵敏度K ；u 减小极板宽度a可提高相对灵敏度KC ，而极板起始覆盖长度b与相对灵敏度KC 无关。但a不能太小，必须保证ad ，否则边缘不均匀电场影响将增大。灵敏度灵敏度为常数。dbxCK第4章 电容式传感器 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4.3 中间极板移动变面积式电容传感器原理图第4章 电容式传感器2）. 角位移 当动极板有一个角位移时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当0 时，则 dSC0当0时，则

5、001CCdSC 这种形式的传感器电容量C与角位移是成线性关系的。 00CCCC 灵敏度：0CCK第4章 电容式传感器变面积式电容传感器动画第4章 电容式传感器 在实际应用中，也采在实际应用中，也采用用差动结构，以提高灵敏差动结构，以提高灵敏度。度。角位移测量用的差动角位移测量用的差动式结构如图式结构如图4.54.5所示。所示。 图4.5 差动角位移式电容传感器原理图 变面积式电容传感器输入输出变面积式电容传感器输入输出成成线性线性关系（忽略边缘效应），但关系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用于灵敏度较低，适用于较大直线位移较大直线位移及及角位移角位移测量。测量。 第4章 电容式传感器2、变

6、间隙式电容传感器 初始电容 00dSC202000001111dddddSdddSddSC当d比较器的参考电压Ur。l 测量原理： 电源接通，Q1， A点为高电位， 通过R1对C1充电， UM上升，直到高于Ur时比较器A1产生脉冲使双稳态触发器翻转，A点变为低电位，C1通过VD1迅速放电使UM接近零电位，此时B点为高电位，通过R2对C2充电，UN上升，直到高于Ur时比较器A2产生脉冲使双稳态触发器重新翻转，第4章 电容式传感器 C1= C2 时，C1 和C2 充电相同，电压波形如图(a)，输出电压uAB为等宽矩形波，平均电压值为零。 当差动电容C1 和C2 值不相等时，假设C1C2，则C1 和

7、C2 充电时间发生变化，电压波形如图(b)。uAB为不等宽矩形波，平均电压值不为零，C1 、C2相差越大，此值越大。经低通滤波器滤波后获得直流输出电压Uo. 。12121oUCCCCUU1触发器输出高电平 A点变为高电位，B点变为低电位，如此周而复始。第4章 电容式传感器对平行板变极距电容器 11212oUddddU当差动电容C1C2C0。，即 d1d2d0时，Uo0；若C1C2，C1C2，即d1d0-d，d2d0+d，则 10oUddU若为差动变极板面积电容传感器 112121oUSSUSSSSU特点：(1) 输出电压与被测位移（或面积变化）成线性关系；(2) 效率高，不需要解调器，信号只要

8、经过低通滤波器就有较大的直流输出；(3) 不需要载波； 调宽频率的变化对输出无影响；不像调幅线路那样，需对元件提出线性要求；(4) 由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。第4章 电容式传感器4.2.3、调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化，将频率的变化在鉴频中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。也可以直接通过计数器测定其频率资。(输入 C f U )传感器传感器第4章 电容式传感器调频振荡器的振荡频率由下式决定： LCf21式中 L 振荡回路的电感； C总电容。CCl+

9、Cc+C0C；其中 C1振荡回路的固有电容； Cc传感器的引线分布电容； C0C传感器的电容。 当被测信号为0时， C 0，则CCl+Cc+C0，所以振荡器有一个固有频率 当被测信号不为0时，即C0，振荡频率有相应变化，此时，频率为 优点： 灵敏度高，可测量0.01m甚至更小位移； 抗干扰能力强； 能获得高电平直流信号（伏特数量级）或频率数字信号（易用于数字仪器和计算机接口）；缺点： 受温度影响大 。)(21010CCCLfc)(21010CCCCLfffc第4章 电容式传感器4.3 电容式传感器的应用 电容式传感器因灵敏度高、响应时间短、结构简单、能在恶劣条件下工作、可非接触测量等优点，广泛

10、应用于位移、振动、加速度、角度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。第4章 电容式传感器 1 1电容式位移传感器电容式位移传感器 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，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。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 （差动式）（差动式）传感器传感器第4章 电容式传感器2、电容式差压传感器（差压变送器） 它由金属弹性测量膜片7与凹型绝

11、缘体5（陶瓷、玻璃等）上金属膜6（镀金）组成两室结构，室内充满硅油。金属弹性膜片7为动极板，凹型绝缘体上的金属膜6为定极板，构成差动变间隙电容传感器。 该压力传该压力传感器可用于测量微小压差感器可用于测量微小压差 1、4波纹隔离膜片；2、3基座；5玻璃层；6金属膜；7弹性测量膜片第4章 电容式传感器 3 3电容测厚仪电容测厚仪 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。制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况。 。 图4.22 电容测厚仪工作原理（差动式）（差动式）传感器传感器第4章 电容式传感器第4章 电容式传感器第4章 电容式传感器第4章 电容式传感器第4章 电容式传感器第4章 电容式传感器第4章 电容式传感器第4章 电容式传感器第4章 电容式传感器 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、中的两个，只要另外一个参数改变，则电容量