第五章电容式传感器

1、 概述概述概述概述 电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型v 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容器电容器 C C 可以通过改变可以通过改变 A A 面积，称变面积型传感器面积，称变面积型传感器 距离，称变极距型传感器距离，称变极距型传感器 介质，称变介质型传感器介质，称变介质型传感器 ACdddA5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变极距型传感器变极距型传感器：5.1

2、电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变面积型传感器变面积型传感器：5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型变介质型传感器变介质型传感器: : 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理: :被测的非电量的变化，能使电容器被测的非电量的变化，能使电容器C C中的任一参数产生相应的改变而引起电容量中的任一参数产生相应的改变而引起电容量C C的变化时，再通的变化时，再通过测量电路，将电容过测量电路，将电容C C的变化转化成电流、电压、频率等信号，的变化转化成电流、电压、频率等信号，根据输出信号的大小，实现非电量的检测。根据输出信号的大小，实现非电量的检测。5.2 电容传感器

3、输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（d d） 0rAACdd 00ACd初始电容初始电容0ddd0CCC 当当 减小减小 时时 电容电容 C C 增加增加 dCdddC0d d d d C CC0000001(1)1AACCCCddddddd 000000000/1111/1/1/d dC C CCCCCd dd dd d 电容为：电容为：增加的电容量为：增加的电容量为：10001CddCdd5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（d d） 0dd00dCCd00CdCd0000dCCCCCd5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1

4、 1 变极距型（变极距型（d d） 123000000011()()CddddddCdddddd20001 0 0 %1 0 0 %dddddd0dd00.02 0.1dd01dd5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（d d） 001()CCKdd5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（d d） 2000100%100%dddddd0gd0g云母相对介电系数空气介电系数d云母片的厚度空气隙厚度000ggAdd 000000000ggggggggAd dAACddAdAddd 00000000ggggggC CAAAACddd

5、dCC 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（d d） 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（d）0d2100000011()1ddCCCCCdddd 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（ d d ）220001()ddCCddC1 d1C2 d25.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（ d d ）电容的相对变化量电容的相对变化量 24000021()()CdddCddd 002CdCd3120002()ddCCCCdd电容的总的变化量电容的总的变化量

6、5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 1 1 变极距型（变极距型（d d）结论：结论： 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍， 非线性误差减小（多乘非线性误差减小（多乘 因子）。因子）。 0/dd0012CCKdd 传感器（差动式）灵敏度传感器（差动式）灵敏度 20()100%dd 相对非线性误差为相对非线性误差为 1 1 变极距型（变极距型（ d d ）5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 2 2 变面积型（变面积型（A A） 平板电容：平板电容：000()b axbxCCxCCdda 0abCd0CxCa初始电容初始电容:电容的

7、相对变化量电容的相对变化量 当动极板移动当动极板移动XX后两极板间电容量为：后两极板间电容量为：5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 2 2 变面积型（变面积型（A A） 结论：结论： 变面积式电容传感器灵敏度变面积式电容传感器灵敏度K K为常数；为常数； 输出特性为线性；输出特性为线性； 适合大位移测量。适合大位移测量。v 平板变面积型电容传感器灵敏度平板变面积型电容传感器灵敏度01CCKXa变面积电容式角位移传感器变面积电容式角位移传感器 0000rACd 00000(1)rACCCd 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 2 2 变面积型（变面积型（A A） 111022

8、()2()2()2lnlnlnlnlnhhhHhHCCDDDDDddddd02lnHCDd例题5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 3 3 变介质型（变介质型（） 102120 00()rrLLLCCCbd当当L=0时，传感器的初始电容时，传感器的初始电容 010 000 0000rL bL bCdd 当被测电介质进入极板间当被测电介质进入极板间L深度后引起电容相对变化量为深度后引起电容相对变化量为02000(1)rCCLCCCL电容变化量与电介质移动电容变化量与电介质移动量量L呈线性关系呈线性关系 :5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 3 3 变介质型（变介质型（） L包括

9、引线电缆电感和电容式传感包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；器本身的电感； Rs由引线电阻、极板电阻和金属由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；支架电阻组成； RP是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗极板与外界间的漏电损耗和介质损耗5.3 电容传感器等效电路电容传感器等效电路： rrCL11ej Lj Cj C21eCCLC5.3 电容传感器等效电路电容传感器等效电路 1）工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电）工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低

10、于谐振频率。容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。5.3 电容传感器等效电路电容传感器等效电路 21eCCLC5.4 5.4 测量电路测量电路. . 1 1调频电路调频电路 1201122()fLCL CCCC当被测信号为零时当被测信号为零时C=0，振荡器有一个固有振荡频率，振荡器有一个固有振荡频率f0012012()fL CCC当被测信号不为零时，当被测信号不为零时，c0，此时频率为，此时频率为 012012()fffL CCCC5.4 5.4 测量电路测量电路 1 1调频电路调频电路 5.4 5.4 测量电路测量电路 2 2运算放大器式电路运算放大器式电路 CxCx传感器电容传

11、感器电容, , C C固定电容固定电容 cbiIUj c0cxxIUj c输入端输入端 输出端输出端 cbcxII 5.4 5.4 测量电路测量电路 3 3差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 0abU0abU1112TUTT2112BTUUTT1111111(1)TTrUUeUU e12120111121212ABTTT TUUUUUUT TT TT T12221lnxrUTR CUU11111lnxrUTRCUU120112xxxxCCUUCC5.4 5.4 测量电路测量电路 3 3差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 120112TTUUTT21121ddUdd0当变极板距离情况下:U010dU

12、d 对于变d型差动结构:U5.4 5.4 测量电路测量电路 3 3差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 5.4 5.4 测量电路测量电路 4 4电桥电路电桥电路 交流电桥的多种形式交流电桥的多种形式:5.5 5.5 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 1.1.电容式料位计电容式料位计 用于水泥、化工、罐装液位测量用于水泥、化工、罐装液位测量 传感器静电容：传感器静电容：0022()lnlnSXhChDDdd 5.5 5.5 电容式传感器的电容式传感器的应用举例应用举例 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘

13、的表面，当用户的手指放导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列在上面时，金属导体阵列/ /绝缘物绝缘物/ /皮肤就构成了相应的小皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。与金属导体之间的距离不同而变化。5.5 5.5 电容式传感器的电容式传感器的应用举例应用举例 5.5 5.5 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 4 4电容测厚仪电容测厚仪 电容测厚仪用于测量金电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚属带材在轧制过程中的厚度变化。度变化。 带材是电容的动极板带材是电容的动极板, ,总总电容电容C1+C2C1+C2作为桥臂。作为桥臂。 带材只是上下波动带材只是上下波动时时Cx=CCx=C1 1+C+C2 2总的电容量总的电容量不变；带材的厚度变化使不变；带材的厚度变化使电容电容CxCx变化。变化。 5.5 5.5 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 5 5电容测位移电容测位移 5.5 5.5 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 8 8本章要点： 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型 电容传感器输出特性和电容传感器输出特性和测量电