《传感器技术及应用（第2版）》课件 第4章 电容式传感器

传感器技术及应用（第2版）第4章电容式传感器电容式传感器的测量电路1.2电容式传感器的工作原理4.14.2电容式传感器在无人装备中的应用4.34.4第4章电容式传感器2本章小结本章内容引出3电容式传感器是能把某些非电量的变化通过一个可变电容器转换成电容量变化的装置。电容测量技术不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。电容式传感器结构简单、体积小、分辨率高、本身发热小，十分适合于非接触测量。4.1电容式传感器的工作原理4由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量C与真空介电常数ε0(8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离d

有关：

(4-1)若被测量的变化使式中d、A、ε三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。5电容式传感器的工作原理变面积型电容式传感器6a图中，当动片有一角位移

时，两极板覆盖面积S就改变，因而改变了两极板间的电容量。此时电容量为：图4-2变面积型电容传感器b图中，当其中一极板移动距离x时，则面积

S发生变化，电容量C也改变。此时电容量为：初始电容量为：变介电常数型电容传感器7在被测介质中放入两个同心圆柱极板1和极板2。若容器内液体的介电常数为ε1，容器介质上面气体的介电常数为ε2，当容器内液面变化时，两极板间电容量C就会发生变化，总的电容量为令则图4-3液面计原理图传感器电容量C与液位h1成线性关系圆筒形电容，电容量为：变极距型电容式传感器8极板1固定，当极板2向上移动

时，有式中，为极板间距离的变化率；按泰勒级数展开可得灵敏度为：可知，变极距型电容传感器是非线性的，灵敏度不是常数，而取决于极板间距离变化率和极板间的初始距离。图4-4变极距型电容传感器初始电容量为：变极距型电容式传感器9变极距型电容式传感器灵敏度当<<1时可近似为：因此，可以通过增加极板面积和降低初始极板间距离d的方式来提高灵敏度，但d的值受到电介质击穿的最小间隔限制，即d不能太小，否则会发生击穿的现象，从而损坏器件。极板间采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质使用，极板间初始距离可大大减少。图4-4变极距型电容传感器初始电容量为：4.2测量电路10电容式传感器等效电路11上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路如图4-2-1所示。

代表并联损耗，包括泄漏电阻和介质损耗；

代表串联损耗，包括引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗；电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。当处于工作频率时，、可忽略，传感器的等效电容可求得：由上式可知，电容的实际变化量与传感器的固有电感和角频率有关。实际使用中必须根据使用环境重新标定输入输出关系。图4-5电容式传感器等效电路图电容式传感器测量电路12把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的震荡频率就会发生变化。通过鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。1.调频测量电路2.变压器电桥3.运算放大器式电路

4.脉宽调制电路图4-7调频测量电路原理框图电容式传感器测量电路13设C0为传感器初始电容，C1为振荡回路固有电容，C2为传感器引线分布电容，L为振荡回路的电感，则当被测信号为0时，振荡器固有频率为：当被测信号不为0时，传感器电容变为，此时频率为调频测量电路具有较高的灵敏度，可以测量0.01μm级的位移变化量1.调频测量电路2.变压器电桥3.运算放大器式电路

4.脉宽调制电路图4-7调频测量电路原理框图电容式传感器测量电路14C1、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为：对变极距型电容传感器代入上式得：

，可见对变极距型差动式电容传感器的变压器

电桥，其输出特性呈线性。1.调频测量电路2.变压器电桥3.运算放大器式电路

4.脉宽调制电路图4-8变压器电桥电容式传感器测量电路15将电容式传感器作为电路的反馈元件接入运算放大器。u为交流电源电压，C为固定电容，Cx为传感器电容，且初始电容量等于C。可求得，其输出电压

为如Cx为变极距型传感器电容，将代入，可得1.调频测量电路2.变压器电桥3.运算放大器式电路

4.脉宽调制电路图4-9运算放大器式电路原理图电容式传感器测量电路16Cx1、Cx2为传感器电容，当Cx1=Cx2时，A、B两点间的平均电压为零。当Cx1≠Cx2时，Cx1、Cx2的充放电时间常数不同，此时uA、uB脉冲宽度不再相等，一个周期（T1+T2）时间内的平均电压值不为零。电压

UAB经过低通滤波器滤波后，可获得U0输出为当Cx1、Cx2为差动式变极距型时，1.调频测量电路2.变压器电桥3.运算放大器式电路

4.脉宽调制电路图4-10脉宽调制电路原理图4.3电容式传感器在无人装备中的应用17电容式力觉传感器18电容式力觉传感器利用弹性膜片在压力下变形所产生的位移来改变传感器电容（此时膜片作为电容器的一个电极）。图4-3-1所示是膜片和两个凹玻璃圆片组成的差动式电容传感器。薄金属膜片夹在两片镀金属的凹玻璃圆片之间，当两个腔的压差增加时，膜片弯向低压的一边，这一微小的位移改变了每个玻璃圆片与动电极之间的电容，所以分辨力很高。图4-12差动电容式压力传感器结构图电容式加速度传感器19当传感器壳体随着被测对象沿垂直方向做直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向上产生正比于被测加速度的位移，此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加、一个减少，从而使

C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。图4-13电容式加速度传感器电容式位置传感器20当测量杆随被测位移运动而带动活动电极位移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其电容量也相应产生变化。图4-14变面积型位置传感器结构图电容式听觉传感器21电容式听觉传感器由一个薄极板和一个厚极板等组成。两极板之间的距离很近，一般约为20~60um，因此两电极间形成一个以空气为介质的电容