传感器与检测技术

SensorandMeasurementTechnologyCh0;Ch1;Ch2;Ch3;Ch4;Ch5;Ch6;Ch7;Ch8;Ch9第4章电容式传感器第4章电容式传感器

传感器的工作原理及类型1

电容传感器的灵敏度及非线性2

电容传感器的特性等效电路3

电容传感器的设计要点4

电容式传感器的转换电路5

电容式传感器的应用举例64.1电容式传感器的工作原理及类型工作原理用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为

S—极板相对覆盖面积；δ—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0

＝8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。Sδε4.1电容式传感器的工作原理及类型类型变极距(或称变间隙〕型、变面积型和变介电常数型。电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。图4-1变极距型电容传感器结构原理4.1电容式传感器的工作原理及类型图4-2变面积型电容传感器结构原理图图4-3变介电常数型电容传感器结构原理图4.2电容传感器的灵敏度及非线性变极距型电容传感器：当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化，其电容变化量ΔC为C0—极距为时的初始电容量。

δ2变极距型电容传感器1CC0C-特性曲线4.2电容传感器的灵敏度及非线性变面积型电容传感器：变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为l—外圆筒与内圆柱覆盖局部的长度；r2、r1—圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为4.2电容传感器的灵敏度及非线性变介电常数型电容传感器：大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。假设忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如以下图，传感器的电容量与被测厚度的关系为〔C与δ成单值函数关系〕δx厚度传感器C1C2C3C4.2电容传感器的灵敏度及非线性假设忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如以下图，传感器的电容量与被位移的关系为C1C2C3CC4l平板形lx

a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；δ:两固定极板间的距离；δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。

4.2电容传感器的灵敏度及非线性假设忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如以下图，传感器的电容量与被测液位的关系为液位传感器hC1CC22r12r2hx4.3电容传感器的等效电路4.3.1电容传感器的特点

4.3.2电容式传感器的等效电路

4.3.1电容传感器的特点优点：①温度稳定性好②结构简单、适应性强③动态响应好④可以实现非接触测量，具有平均效应点4.3.1电容传感器的特点缺点：①输出阻抗高，负载能力差②寄生电容影响大③输出特性非线性4.3.2电容式传感器的等效电路

C0CpRgLrCeReLreCe供电电源频率为谐振频率的1/3~1/24.4电容传感器的设计要点1．保证绝缘材料的绝缘性能电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金为好。传感器内电极外表不便经常清洗，应加以密封。传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。在可能的情况下，传感器内尽量采用差动对称结构，这样可以通过某些类型的测量电路(如电桥)来减小温度等误差。4.4电容传感器的设计要点2．消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减小它。带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场4.4电容传感器的设计要点4.4电容传感器的设计要点4．防止和减小外界干扰屏蔽和接地。增加原始电容值以降低容抗。导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。尽可能一点接地，防止多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。4.5电容式传感器的转换电路

1.电桥电路图4-13电容式传感器构成交流电桥的一些形式4.5电容式传感器的转换电路2.二极管双T形电路电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。假设将二极管理想化，那么当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C24.5电容式传感器的转换电路根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下：

在［R＋〔RRL〕/〔R＋RL〕］C2〔时间常数〕<<T/2时, 电流iC2的平均值IC2可以写成下式：4.5电容式传感器的转换电路同理，负半周时电容C1的平均电流:

故在负载RL上产生的电压为

4.5电容式传感器的转换电路3.差动脉冲调宽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变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路GU14.5电容式传感器的转换电路tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)U0差动脉冲调宽电路各点电压波形图4.5电容式传感器的转换电路UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2—分别为C1和C2的充电时间；U1—触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间T1、T2为设R1＝R2＝R，那么Ur—触发器的参考电压。4.5电容式传感器的转换电路设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2和S1、S2，将平行板电容公式代入上式，对差动式变极距型和变面积型电容式传感器可得可见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。具有这个特性的电容测量电路还有差动变压器式电容电桥和由二极管T形电路经改进得到的二极管环形检彼电路等。4.5电容式传感器的转换电路4.运算放大器式电路其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图运算放大器式电路原理图-AuoCCxu∑～代入4.6电容式