第五章、电容式传感器

1、电感式传感器的感测量：电感式传感器的感测量：位移、力、加速度、液位、成分含量等。电感式传感器的种类：电感式传感器的种类： 根据结构形式：变极距型、变面积型和变介质型。第第5章章 电容式传感器电容式传感器 （1）受本身发热影响小 （2）静态引力小，动态响应好 （4）结构简单，适应性强 （5）可以进行非接触式测量电感式传感器的特点电感式传感器的特点（1）输出阻抗较高、带负载能力差（2）寄生电容影响大第第5章章 电容式传感器电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4

2、电容式传感器应用电容式传感器应用 5.1.1 电容式传感器的基本原理电容式传感器的基本原理5.1.2 电容式传感器基本类型电容式传感器基本类型5.1.3 电容式传感器的特性电容式传感器的特性5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.1.1 电容式传感器的基本原理电容式传感器的基本原理d d极板极板1极板极板2 电容式传感器是利用将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。广泛用于位移、角度、速度、力、成份分析、介质特性等方面的测量。平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为待测量改变一个参数，该参数的变化可转换为电容量的变化，通过测

3、量电路就可转换为电量输出。5.1.2 电容式传感器基本类型及特性电容式传感器基本类型及特性（1）变极距式）变极距式（2）变面积式）变面积式（3）变介电常数式）变介电常数式d d极板极板1极板极板2(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型(a)和(e)为变极距型 (i) (l)则为变介电常数型变极距式传感器的测量范围、灵敏度及线性度相矛盾，因此，一般应用于微位移测量。一、变极距式电容传感器一、变极距式电容传感器d d定极板定极板动极板动极板为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变极距式电容传感器。 电容传感器的灵敏度为差动结构的特点：（1）改善线性、提高灵敏度外；（2

4、）补偿温度变化、电源频率变化等的影响，从而减少了外界影响造成的误差。 d0减小可以使传感器灵敏度提高。但d0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（云母、 塑料膜等）作介质, 此时电容C变为：d d定极板定极板动极板动极板二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器两种常用变面积型电容传感器：两种常用变面积型电容传感器：线位移式和角位移。线位移式和角位移。DdLa三、变介质型电容传感三、变介质型电容传感器器1、单组平板厚度式电容传感器、单组平板厚度式电容传感器dx设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为d；被测物的厚度和介电常数分别为dx和, 则传感器的电容量

5、与被测量物体的厚度和介电常数有关。当介电常数一定时，通过传感器电容量的变化测量物体的厚度。 2 2、单组平板位移式电容传感器、单组平板位移式电容传感器 电容量与位移呈线性关系电容量与位移呈线性关系设被测介质的介电常数为1，液面高度为h, 变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，变换器电容值为 变换器的电容增量正比于被测变换器的电容增量正比于被测液位高度。液位高度。3、测量液位圆筒式电容传感器、测量液位圆筒式电容传感器 C2C1C第第5章章 电容式传感器电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传

6、感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路考虑了电容器的损耗和电感效应，电容式传感器的等效电路。根据等效电路，电容根据等效电路，电容式传感器有一个谐振频率，式传感器有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏传感器时，谐振频率破坏传感器正常作用。因此，工作频正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率。率应该选择低于谐振频率。 并联损耗电阻Rp：表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。串联损耗电阻Rs：引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L：

7、电容器的寄生电感和外部引线电感。 第第5章章 电容式传感器电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 5.3 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路 与电感传感器不同，电容传感器中电容值和电容变化量都十分微小，难以直接为仪表所显示和记录。 因此，需要一些测量电路检测出电容的微小变化量，并转换成相应的电压、电流或频率输出。 调频电路、运算放大器电路、二极管双T形交流电桥、脉冲宽度调制电路等。常用测量电路：一、调频式测量电路一、调

8、频式测量电路Cxf振荡器uf限幅放大器uL鉴频器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。鉴频器解决了f的非线性问题，并将f转化为了u。二、运算放大器测量电路二、运算放大器测量电路 运算放大器的放大倍数大，输入阻抗高, 可作为电容式传感器的理想测量电路。 测量电路输出电压的相位与电源电压的反相。幅值与极板间距离成线性关系。三、二极管双三、二极管双T T形交流电桥形交流电桥 e为高频电源，提供了幅值为U的方波，VD1、VD2为完全相同的两只二极管，R1、R2相等，C1、C2为传感器的两个差动电容。 1.传感器没有输入时C1=C2一个T内流

9、过RL的平均电流为零。2.传感器有输入时C1C2一个T内流过RL的平均电流不为零线路简单，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；电源周期、幅值影响灵敏度，要求高度稳定；输出阻抗与电容无关，克服了电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传感器。四、脉冲宽度调制测量电路四、脉冲宽度调制测量电路差动脉冲调宽电路，通过对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器，被测量的变化转换为直流信号输出。Cx1、Cx2为差动式传感器的两个电容；若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，

10、Ur为其参考电压。四、脉冲宽度调制测量电路四、脉冲宽度调制测量电路 对差动变极距型平行板电容传感器有同理，变面积型电容传感器则 因此，差动脉冲宽度调制电路适用于差动电容式传感器，并具有理论上的线性特性。 电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；无元件线性要求；经低通滤波器可输出大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。四、脉冲宽度调制测量电路四、脉冲宽度调制测量电路第第5章章 电容式传感器电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构电容式传感器工作原理和结构5.2 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路5.3 电容式传感器测量电路电容式传感

11、器测量电路5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 5.4 电容式传感器应用电容式传感器应用 一、电容式压力传感器一、电容式压力传感器P差动型电容式压力/压差传感器：当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 二、电容式称重传感器二、电容式称重传感器基本原理：利用弹性敏感元件受压后变形，引起电容随外加重量的变化而变化。绝缘材料定极板动极板极板支架弹性体称重时，弹性元件受力变形，动极板发生位移，导致传感器电容量变化。F在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容。在电路上各电容是并联的，输出反映的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小（误差平均效应）。三、电容式加速度传感器三、电容式加速度传感器基本结构：两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块