电容式传感器

1、课？题第四章？电容式传感器第T电容式传感器的基本概念及主要特点第二节电容式传感器的工作原理及结构形 式课？型新课授课班 级授课时 数2教学目 标1 .理解电容式传感器的基本概念和特点。2 .掌握电容式传感器的工作原理及结构 形式。教学重 点1 .电容式传感器的基本概念。2 .电容式传感器的工作原埋及 3种结构形式。教学难 点二种类型电容式传感器的电容变化量 计算。学情分 析教学效 果第一节电容式传感器的基本概念及主要特点教后记新授课A、复习电阻式传感器。B、新授课电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过 电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再 经转换电路转换成电压

2、、电流或频率等信号输出的测量装置。二、主要特点结构简单，易于制造。 功率小、阻抗高、输出信号强（提 问）（与电 阻是对 比介 绍）（简要 分析原 因）（讲解）（讲解）（讲动态特性良好。 受本身发热影响小。 可获得比较大的相对变化量。 能在比较恶劣的环境中工作。可进行非接触式测量。 电容式传感器的不足之处。主要是寄生电容影响比较大； 输出阻抗比较高，负载能力相对比较大；输出为非线性。第二节电容式传感器的工作原理及结构形式一、工作原理电容式传感器的工作原理可以从图 4- 1所示的平板式电容 器中得到说明。由物理学可知，由两平行极板所组成的电容器， 如果不考虑边缘效应，其电容量为&AC 图4

3、 - 1 平板式电容器式中，A两极板相互遮盖的面积（mr2）?两极板之间的距离（mm£ 两极板间介质的介电常数（F / m ）由以上计算公式可见，当被测量使 A, 8 , £三个参数中任 何一项发生变化时，电容量就要随之发生变化。二、结构形式1.变面积（A型电容式传感器解）（区别 三种变 面积型 电容式 传感器）（讲解）（讲 解）变面积型电容传感器的结构原理如图 4 - 2所示。图中（a）、（b）为单边式，（c）为差分式；（a）、（b）也可做成差分式。图 中1, 3为固定板，2是与被测物相连的可动板，当被测物体带动 可动板2发生位移时，就改变了可动板与固定板之间的相互遮盖

4、面积，并由此引起电容量 C发生变化。对于如图4 - 2 （a）所示的平板式单边直线位移式传感器， 若忽略边缘效应，其电容变化量为4 - 2 变面积型电容式传感器结构原理图 （a）单边直线位移式 （b）单边角位移式 （c）差分式式中，b极板宽度a极板起始遮盖长度 a动极板位移量£ 两极板间介质的介电常数8两极板间的距离C0初始电容量这种平极单边直线位移传感器的灵敏度 S为S = A C / d x = £ b / 8 =常数对于如图4 - 2 （b）所示的单边角位移型传感器，若忽略边 缘效应，则电容变化量为式中，5覆盖面积对应的中心角度r 极板半经?a 动极板的角位移量这种单

5、边角位移式传感器的灵敏度为式中，A电容器起始覆盖面积6 动板的角位移量实际应用时，为了提高电容式传感器的灵敏度，减小非线性， 常常把传感器做成差分式，如图 4 - 2 （c）所示。中间的极板2 为动板，上、下两块（即板1和3）为定板。当动板向上移动一 个距离x后，上极距就要减少一个x,而下极距就要增加一个x, 从而引起上、下电容变化。差接后的这种传感器灵敏度可提高一 倍。2.变极距（5 ）型电容式传感器图4 - 3为变极距型电容式传感器结构原理图。图中1和3为固定极板，2为可动极板（或相当于可动极板的被测物），其位 移由被测物体带动。从图 4 - 3 （a）, （b）可看出，当可动极板 由被测

6、物带动向上移动（即 5减小）时，电容值增大，反之电容 值则减小。图4 - 3 变极距型电容式传感器结构原理图（a）被测物与可动极板相连 （b）被测物为可动极板 （c）差分式设极板面积为A,初始距离为8 0,以空气为介质时，电容量 G为 G = £oA / Soo当间隙8。减小？ 5变为8时（设？ 8 << 8°）,电容G增加？ C变为C,即图4 - 4C ?特性曲线图电容C与间隙8之间的变化特性如图4 - 4所示。电容式传感器的灵敏度用S表示，其计算公式为在实际应用时，为了改善其非线性、提高灵敏度和减小外界的影响，通常采用图4 - 3 （c）所示的差分式结构。这

7、种差分式传感器与非差分式的相比， 灵敏度可提高一倍,练习思考题与习题4 - 1、4 - 2、4 - 3小结1 .电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感兀件， 并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变 化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等仿号输出的 测量装置。2 .电容式传感器的工作原理，电容量计算公式为：c JA3 .电容式传感器的基本类型：变面积（A）型、变极距（5 ） 型、变介电常数（?）型。布置作业思考题与习题4 - 4、4 - 5课？?题第四章？电容式传感器第二节电容式传感器典型测量电路及分析第四节电容式传感器的应用课？型新课授课班 级授课时 数2教学目 标1 .

8、掌握电容式传感器的典型测量电路。2 . 了解电容式传感器的三项应用。教学重 点1 .电容式传感器的三种测量电路的工作 原埋。2 .电容式传感器应用的原埋。教学难 点1.电容式传感器典型测量电路的分析与计算。2.差分式电容压力传感器的工作原理。学情分 析教学效 果教后记新授课A、复习电容式传感器的基本概念和性质。B、新授课第二节 电容式传感器典型测量电路及分析一、交流电桥电路用于电容式传感器的交流电桥电路如图 4-6所示。图4 - 6 电容式传感器桥式转换电路（提 问）（X 电路图 讲解）（讲解）（X教材，说明调 频电路 的特（简单 介绍各 组成部 分作 用）（对照 电路图 说明电 路原 理）（

9、讲 解）（讲 解）（结合（a）单臂接法 （b）差分接法其中图（a）为单臂接法的桥式测量电路，电路中高频电源经 变压器接到电容电桥的一条对角线上，电容 C, G, G, G构成电 桥电路的4个桥臂，G为电容传感器。当交流电桥平衡时，即C/ G = G / G,则输出U。0,当G改变时，则U。0,就会有电压 输出。图（b）为差分式电容式传感器，具空载输出电压为式中，G传感器初始电容值?C-一传感器电容量的变化值需要说明的是，若要判定Uo的相位，还要把桥式转换电路的 输出经相敏检波电路进行处理。二、调频电路图4 - 7为电容式传感器的调频电路图，其中图（a）为调频 电路框图，图（b）为调频电路原理图

10、。该电路是把电容式传感器 作为LC振荡回路中的一部分，当电容式传感器工作时，电容 G 发生变化，这就使得振荡器的频率 f发生相应的变化。由于振荡 器的频率受到电容式传感器电容的调制，从而实现了电容向频率 的变换，因而称之为调频电路。调频振荡器的频率计算公式是f -o2 MLe式中，L振荡回路电感e振荡回路总电容量。（包括传感器电容ex,振荡 回路微调电容e,传感器电缆分布电容 C）图4 - 7 电容式传感器调频电路图（a）调频电路方框图（b）调频电路原理图振荡器输出的高频电压是一个受到被测量控制的调频波，频率 图片讲的变化在鉴频器中变换成为电压的变化，然后再经放大后去推动解原后续指示仪表工作。

11、从电路原理上看，图中 C为固定电容，C为寄生电容，传感器C = C0 士 ？C。设C = C + C + G + C + C;G= G << C那么调频振荡器的频率为由调频电路组成的系统方框图如 4 - 8所示。图4 - 8 调频电路系统框图三、脉冲宽度调制电路1 .脉冲宽度调制电路的原理脉冲宽度调制电路利用对传感器电容的充、放电，使电路输 出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，并通过低频 滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。脉冲宽度调制电路如图4 - 9所示。它主要由比较器 A, A, 双稳态触发器及电容充、放电回路组成。C, G为差分式电容式传 感器。当双稳态触发器输

12、出 Q为高电平时A点通过电阻R对电容C 充电。此时的输出Q为低电平，电容G通过二极管口迅速放电， 从而使G点被钳制在低电位。直到F点的电位高于参考电压 U时, 比较器A产生一个脉冲信号，触发双稳态触发器翻转，使 A点成 为低电位，电容C通过二极管D迅速放电从而使F点被钳制在低 电位。同时B点高电位，经R向G充电。当G点电位被充至U时，比较器A就产生一个脉冲信号。双稳态触发器再翻转一次后使 A点成为高电位，B点成为低电压。如此周而复始，就可在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受C, C2调制的脉冲波形。图4 - 9 脉冲宽度调制电路理）（分析 控制电 路中的 信号流 向及转 换过 程）（简要

13、说明其 特点）2 .脉冲宽度调制电路具有如下特点 可以获得比较好的线性输出。 双稳态的输出信号一般为100 Hz 1 MHz的矩形波。因 此只需要经滤波器简单处理后即可获得直流输出，不需要专门的 解调器，且效率比较高。 电路采用直流电源。虽然直流电源的电压稳定性要求较高，但与高稳定度的稳频、稳幅交流电源相比，还是容易实现的。第四节电容式传感器的应用一、电容测厚仪电容测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的仪 器，其工作原理如图4 - 10所示1 .电容测厚仪结构检测时，在被测金属带材的上、下两侧各安装一块面积相等、 与带材距离相等的极板，图4 - 10电容测厚仪原理示意图1一金属带材2 电

14、容极板3传动轮4 一轧辐并把这两快极板用导线连接起来，作为传感器的一个电极板，而金属带材就是电容传 感器的另一个极板。2 .原理其总的电容量C就应是两个极板间的电容之和（C= C+ G） 如果带材的厚度发生变化，用交流电桥电路就可将这一变化检测 出来，然后再经过放大就可在显示仪器上把带材的厚度变化显示 出来。用于这类厚度检测的电容式厚度传感器的框图如图 4 - 11所 示。图4 - 11 电容式测厚传感器方框图图中的多谐振荡器输出的电压 U, U2通过R, R (R = R)交 替对电容C, G充、放电，从而使驰张振荡器的输出交替触发双 稳态电路。当。=G时，U0 = 0 ;当C ? G时，双

15、稳态电路 Q 端输出脉冲信号，此脉冲信号经对称脉冲检测电路处理后变成电 压输出，并用数字电压表示。输出电压的大小可由公式 Uo Uc C1 C2加以计算。式中UC为电源电压。C1 C2二、差分式电容压力传感器差分式电容压力传感器广泛应用图4 - 12 差分式电容压于液体、气体和蒸汽的流量、压力，液力传感器结构图体位置及密度等的检测，其结构如图 4 - 12所示。当被测压力P通过过滤器通道进入空腔后，由于弹性膜片的两 侧受到的压力不同，而形成一个压力差。由于压差的作用，使膜 片凸向一侧而产生位移。这一位移改变了两个镀金玻璃圆片与弹 性膜片之间的电容量，而电容量的变化可由电路加以放大后取出， 其原

16、理如图4 - 13加以说明。图4 - 13 差分式电容压力传感器原理图差分式电容压力传感器输出电流I o为 式中，CH高压侧极间电容值CL低压侧极间电容值d0电极间的初始间距P输入压差Ic, K常数结论：输出电流与介电常数的变化和激励电源频率的变化无关，而只与压差成正比。差分式电容压力传感器的电路如图 4 - 14所示。它主要由信 号变换器电路及电流控制器电路两部分组成。其中信号变换器电 路可将差分电容量转换成电信号，而电流控制器电路就可进一步 将电信号变换成某一直流输出信号。图4 - 14 差分式电容压力传感器电路图三、电容式接近开关电容式接近开关是利用变极距型电容传感器的原理设计的。接近开关是以电极为检测端的静态感应方式，由高频振荡、检波、 放大、整形及输出等部分组成。其中装在传感器主体上的金属板 为定板，而被测物体上的相对应位置上的金属板相当于动板。工 作时，当被测物体移动接近传感器主体时，由于两者之间的距离 发生了变化，从而引起传感器电容量的改变，使输出发生变化。此外，开关的作用表面与大地之间构成一个电容器，参与振荡回 路的工作。当被测