第4章-电容式传感器课件

1、物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用第第4章章 电容式传感器电容式传感器点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器，可用于压力、压差、厚度、位移、振化的一种传感器，可用于压力、压差、厚度、位移、振动、加速度、角度、液位和料位等的测量。动、加速度、角度、液位和料位等的测量。点击此处结束放映点击此处结束放映 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理4.1电容式传感器的类型和特点电容式传感器的类型和特点4.2电容式传感器的等效电路和测量电路电容式传感器的等

2、效电路和测量电路4.3电容式传感器应用实例电容式传感器应用实例4.4物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理4.1物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 这里以平行板电容器为例，说明电容式传感器的工这里以平行板电容器为例，说明电容式传感器的工作原理。作原理。平行板电容器的电容量为平行板电容器的电容量为点击此处结束放映点击此处结束放映dSdSCr0物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 电容式传感器的类型和特点电容式传感器的类型

3、和特点4.2点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.2.1 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 1.变面积型电容传感器的结构变面积型电容传感器的结构 在变面积型电容传感器的在变面积型电容传感器的2个极板中，一个是固定不变的，个极板中，一个是固定不变的，称为定极板；另一个是可移动的，称为动极板。称为定极板；另一个是可移动的，称为动极板。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2.变面积型电容传感器的特性变面积型电容传感器的特性 当动极板移动当动极板移动 后，电容器的电容量随之改变，如果忽后，电容器的电容量随之改变，如果

4、忽略电容器的边缘效应，电容器的电容量略电容器的边缘效应，电容器的电容量 为为式中，式中， 为电容器的初始电容为电容器的初始电容 。点击此处结束放映点击此处结束放映xdbCCx0 xdbaC0 xC物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用电容传感器的灵敏度为电容传感器的灵敏度为灵敏度灵敏度 为一常数。由此可知，变面积型电容传感器的输出特性为一常数。由此可知，变面积型电容传感器的输出特性是线性的。是线性的。点击此处结束放映点击此处结束放映aCdbxCK0物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.2.2 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 1.变极距型电容传感器的结构变极距型电容传感器的

5、结构 变极距型电容传感器的结构示意图如图变极距型电容传感器的结构示意图如图4.3（a）所示，）所示，1为为定极板；定极板；2与被测物体相连，为动极板。与被测物体相连，为动极板。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2.变极距型电容传感器的特性变极距型电容传感器的特性 当动极板移动，使极板的间距减小当动极板移动，使极板的间距减小 后，电容器的电后，电容器的电容量也随之改变。电容器的容量也随之改变。电容器的电容增量为电容增量为电容增量电容增量 与与 不是线性关系不是线性关系。点击此处结束放映点击此处结束放映dddCCCCx000ddC物联网传感器技术与应用物联

6、网传感器技术与应用 当当 时，电容的相对变化量为时，电容的相对变化量为电容增量电容增量 与与 近似是近似是线性关系线性关系。 灵敏度灵敏度 是极板间距是极板间距 的函数，的函数， 越小灵敏度越高。越小灵敏度越高。点击此处结束放映点击此处结束放映0dd 00ddCCCd0d0d物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用3.差动式结构差动式结构 差动式电容传感器的结构如图差动式电容传感器的结构如图4.4所示，图中所示，图中1和和3为定极板，为定极板，2为动极板。为动极板。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与

7、应用物联网传感器技术与应用 差动式电容传感器输出为差动式电容传感器输出为非线性误差为非线性误差为差动式电容传感器差动式电容传感器灵敏度增加了一倍灵敏度增加了一倍，非线性误差降低了一个数非线性误差降低了一个数量级量级。 点击此处结束放映点击此处结束放映21CCC20 dd物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.2.3 变介质型电容传感器变介质型电容传感器 1.变介质型电容传感器的结构变介质型电容传感器的结构 几种常用的变介质型电容传感器如图几种常用的变介质型电容传感器如图4.5所示。所示。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2.变介质型电容传感器的

8、特性变介质型电容传感器的特性 （1）厚度传感器）厚度传感器 可以测量物体的厚度。可以测量物体的厚度。 （2）液位传感器）液位传感器 可以测量液体的高度。可以测量液体的高度。 （3）线位移传感器）线位移传感器 可以测量物体的线位移。可以测量物体的线位移。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用电容式传感器的等效电路和测量电路电容式传感器的等效电路和测量电路4.3点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.3.1 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等

9、效电路 电容式传感器在环境温度不是很高、湿度较低、频率较低电容式传感器在环境温度不是很高、湿度较低、频率较低时，可以视为一个纯电容。但严格来说，电容式传感器应该是一时，可以视为一个纯电容。但严格来说，电容式传感器应该是一个复阻抗个复阻抗。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.3.2 交流电桥方式的测量电路交流电桥方式的测量电路 测量电路可以采用交流电桥，通过电桥将电容的变化转测量电路可以采用交流电桥，通过电桥将电容的变化转换成电桥输出电压的变化。交流电桥的桥臂可以是电阻或阻抗元换成电桥输出电压的变化。交流电桥的桥臂可以是电阻或阻抗元件件（电感或电容电感

10、或电容）。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.3.3运算放大器方式的测量电路运算放大器方式的测量电路 运算放大器方式的测量电路常在变极距型电容传感器的测运算放大器方式的测量电路常在变极距型电容传感器的测量中采用，这种电路的最大特点是输出电压与输入位移（传感器量中采用，这种电路的最大特点是输出电压与输入位移（传感器极板的间距的变化）有线性关系。极板的间距的变化）有线性关系。点击此处结束放映点击此处结束放映dSCUUio00物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.3.4二

11、极管二极管T型网络方式的测量电路型网络方式的测量电路 二极管二极管T型网络（又称为双型网络（又称为双T电桥）是利用电容器的充放电电桥）是利用电容器的充放电原理组成的电路原理组成的电路。高频电源提供占空比为高频电源提供占空比为50%的电压方波的电压方波。 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.3.5差动脉冲宽度调制方式的测量电路差动脉冲宽度调制方式的测量电路 差动脉冲宽度调制电路利用对传感器电容的充放电，使电差动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传感器电容量的变化而变化，然后通过低通路输出脉冲的宽度随传感器电容量的变化而变化

12、，然后通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。差动脉冲宽度调制电路滤波器得到对应被测量变化的直流信号。差动脉冲宽度调制电路由由2个比较器、双稳态触发器和电容充放电回路组成。个比较器、双稳态触发器和电容充放电回路组成。 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用电容式传感器应用实例电容式传感器应用实例4.4点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 电容式传感器可直接测量物体位移、材料厚度、面积变化电容式传感器可直接测量物体位移、材料厚度、面积变化和介电常数等量。电容式传感器不但广泛用于测量位移、厚度、和介电常数等量。电容式

13、传感器不但广泛用于测量位移、厚度、角度、振动等机械量，还用于测量力、压力、差压、流量、成分、角度、振动等机械量，还用于测量力、压力、差压、流量、成分、湿度、液位和料位等参数。湿度、液位和料位等参数。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.4.1电容式差压传感器电容式差压传感器 电容式差压传感器是电容式差压传感器是1970年代产品，它具有结构简单、小年代产品，它具有结构简单、小型轻量、精度高（可达型轻量、精度高（可达0.25%）、动态响应时间短（）、动态响应时间短（0.215s）、）、互换性强等优点，广泛用于工业生产中。互换性强等优点，广泛用于工业生产中。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用输出电压为输出电压为点击此处结束放映点击此处结束放映pKUCCCCUUiHLHLio22物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用4.4.2电容测厚仪电容测厚仪 金属带材在轧辊的轧制过程中，不断被传动轮向前送进，金属带材在轧辊的轧制过程中，不断被传动轮向前送进，如果带材的厚度发生变