《传感器及应用》-《传感器及应用》-项目一任务3电容式传感器xin

任务三电容式传感器目标要求:

1、掌握电容传感器的结构原理、及测量电路

2、了解电容式传感器的应用一、电容式传感器概述

以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。

电容式传感器变间距型变面积型变介质型电容式传感器的测量原理（1）面积变化型(b)角位移式（a）为平板形位移电容传感器。

设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx也随之改变。电容的相对变化量和灵敏度为

变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。差动结构形式

提高测量精度，减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差。

中间极板移动变面积式电容传感器原理b)角位移式电容传感器可见，电容值与角位移呈线性关系。增大传感器的初始面积或减小极板间距d有利于增大传感器的灵敏度K。

此时，传感器的灵敏度k为：当动板有一转角时，由于覆盖面积变化，电容量改变。c）园柱型电容传感器

下图是圆柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：当覆盖长度变化时，

通过A）B）C）的分析可得出结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即具有良好的线性。大多数用来检测较大直线位移及角位移等参数。

变面积式电容传感器也采用差动形式，可使输出和灵敏度提高一倍。（2）极距变化型变极距型传感器常常是一块极板固定而使另一块极板移动，从而改变极距以引起电容的变化。++++++因此电容器传感器的灵敏度为：

灵敏度与极距的平方值成反比，极距越小时灵敏度越高。为减小非线性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。変极距型电容传感器原理上的非线性，要修正。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。为减小非线性误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作以便获得近似的线性关系。一般取极距变化范围为变极距式电容传感器结论

极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高（可达nm级），适应于较小位移（1nm～1

m）的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容（如电缆电容、分布电容等）的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂。（3）介质变化型

当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。

这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度、液面高度等，也可用来测量空气的湿度等。这种传感器的电容量等于两个电容相并联L0,b0——极板长度和宽度;故电容量的变化与被测电介质的移动量L成线性关系。

当燃油增大，h增大，△C也增大；燃油减少，h减少，△C也减小。通过测量电容的大小就能知道油量的多少。B)电容液面计这类传感器常常采用同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。电容式液位测量装置Dd检测电路测定电极储罐ε0ε1h测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。1．交流电桥2．调频电路3．运算放大式电路4．脉冲宽度调制电路5．二极管双T型交流电桥电容式传感器的测量电路（一）

交流电桥Z1为电容传感器阻抗，当Z1Z4＝Z2Z3，则USC=0。当被测参数变化时引起传感器阻抗变化ΔZ，其输出为：（二）调频电路调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏离量和信号电压成正比。振荡器的振荡频率主要取决于回路中的电感和电容，因此只要回路中的电感或电容随外加信号变化，就能获得调频信号。把电容传感器接入调频振荡回路作为振荡器谐振回路的一部分，则振荡器的频率随电容传感器的电容C而变化，这样振荡器的输出便是一个受被测信号调制的调频波。运算放大器式测量电路+-uiu0CiCx以代入上式，则有可以看出，输出电压与动极片机械位移d成线性关系。

电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。运算放大器的输入阻抗很高，因此可认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为（三）

运算放大器电路

该电路要求固定电容必须稳定，信号源电压必须采取稳压措施（四）脉冲宽度调制电路

脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。振荡电路感应电极被测物体电容式接近开关电容式传感器的应用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示

该图是利用电容式接近开关测量谷物高度（物位）的示意图。当谷物高度达到电容式接近开关的底部时，电容式接近开关产生报警信号，关闭输送管道的阀门.转速测量

当电容极板与齿顶相对时电容量最大，而电容极板与齿隙相对时电容最小。当齿轮旋转时，电容量发生周期性变化，通过转换电路即可得到周期信号。频率计显示的频率代表转速的大小。电容测厚仪可以用来测量金属带材在轧制过程中的厚度。电容测厚仪电容式加速度传感器

弹簧片定极板2质量块定极板1绝缘体aC1C2m汽车气囊的保护作用

使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。

汽车气囊对驾驶员的保护作用30电容式压力传感器31高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置习题1.电容式传感器是将被测物理量的变化转换成

的器件。2.变间隙式电容传感器的工作原理：变间隙式电容传感器有一个

和一个

。当

极板随着被测参数的变化相对移动时，引起

的变化，从而引起

发生变化。3.电容式传感器中，变面积式常用于较大的

的测量。4.电容式传感器中，变介电常数式多用于

的测量。5.电容式传感器中，变间隙式一般用于测量

的位移。6.电容式传感器可分为_______、________和________三种。7.当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）A、灵敏度增加B、灵敏度减小C、非线性误差增加D、非线性误差减小8.用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）A、变间隙式B、变介电常数式C、变面积式