ch5成都信息工程学院传感器技术

1、第5章电容式传感器主要内容 5.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理5.2 变极距型电容式传感器的非线性变极距型电容式传感器的非线性5.3 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路5.4 电容式传感器的信号调节电路电容式传感器的信号调节电路5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容传感器电容传感器应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。位、湿度和成分含量等测量之中。非电量的变化转换成电容量的变化非电量的变化转换成电容量的变化按工作原理按工作原理变极距型变极距型变面积型变面积型变介电常数型变介电常数型n

2、特点：n结构简单、体积小、分辨率高；n可实现非接触式测量；n动态响应好；n能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；n电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。5.1电容式传感器的工作原理0rAACdd n在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。n电容式传感器可分为三种：n变极板间距离的变极距型n改变极板面积的变面积型n改变介质介电常数的变介质型 0rAACdd 变极距变极距( (）型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h）

3、 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) CSSr 01. 变极距型电容传感器变极距型电容传感器dsCr00200001)1 (1 ddddCddCddsCCCr非线性关系 若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度000000111rsCCCCdddddCCdCCdddd baaabSC0aaCabbaaabC0baCaCkg0b kg减小 、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度2. 非线性 CCC0011/ 1/将上式展开成泰勒级数得 CC 02311/CC0(/) 取值不能大，否则将降低灵敏度 mmm9.001.0)51101(采用差动形

4、式差动形式，并取两电容之差为输出量 CC21024差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 如果采用容抗 作为电容式传感器输出量1/( )CXjC11cXj CjS 被测量与 成线性关系 无需满足 电容式传感器等效电路L L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：r r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C C0 0为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；C Cp p为引线电缆、所接测量电路为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；及极板与外界所形成的总寄生电容；R Rg g是极间等

5、效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗、介质损耗。损耗、极板与外界间的漏电损耗、介质损耗。C0CpRgLrCeReLreCe供电电源频率为谐振频率的1/31/2第5章低频等效电路 n传感器电容的阻抗非常大，传感器电容的阻抗非常大，L和和r的影响可忽的影响可忽略略n等效电容等效电容Ce=C0+Cp，n等效电阻等效电阻ReRg CeRg第5章高频等效电路高频等效电路 n电容的阻抗变小，电容的阻抗变小，L和和r的影响不可忽略，漏电的的影响不可忽略，漏电的影响可忽略影响可忽略 ，其中，其中C=C0+Cp，而，而rer reCLR

6、CjLjCje11第5章LCCCe21对下图等效电路，由于并联电阻很大，因此对下图等效电路，由于并联电阻很大，因此等效电容为：等效电容为： C0CpRgLr第5章5.2电容式传感器的测量电路n5.2.1 调频电路012012()fL CCC0012012()fffL CCCC 调频电路调频电路当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，)(21010CCCLfi当被测信号不为零时，c0，此时频率为 ffCCCCLfi001)(21具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 5.2.2 变压器式交流电桥变压器式交流电桥2210121

7、2ZZZZZ2ZZ2UUUU120122CCUUCC5.2.3运算放大器式电路运算放大器式电路 ：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 运算放大器式电路原理图uC-ACxu0由运算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()/ ) ( SCxuuCS0 假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 5.2.4二极管双二极管双T型电路型电路 U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初

8、始值为UE RRRLC2C1VD1VD2iC1iC2+UEC1C1、C2 C2 传感器的差动传感器的差动电容；电容；平衡时：平衡时：C1C1C2C2，I1I1I2I2，一个周期内负，一个周期内负载的电流为零；载的电流为零；n当传感器没有输入时，当传感器没有输入时， C1C2n一个周期内流过负载的平均电流为0n当传感器有输入时，C1！C20122(2)()()LLLR RRURE fCCRR电路的特点电路的特点 :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、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于

9、具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器 。 5.2.5差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 n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变化而变化n通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 5.2.5 脉冲宽度调制电路U UABAB经低通滤波后，得到直流电压经低通滤波后，得到直流电压U U0 0为为 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBAU1触发器输出的高电位11111lnMUTRCUU12221lnMUTR CUU设设R R1 1R R2 2R R，则，则 120112CCUUCCUr触发器的参考电压。111(1)TMUUe 111RC 同理可得：同理可得：设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2和S1、S2 差动变极距型差动变面积型 UUE02121EUSSSSU12210差动脉冲调宽电路能适用于任何 差动式电容式传感器 并具有理论上的线性特性 优优 点：点：采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也不高 5.3 电容