传感及其基础检测 5

《传感器与检测技术》主讲：XXX第4章-电容式传感器学习内容4.1电容式传感器工作原理4.2电容式传感器测量电路第4章-电容式传感器4.3电容传感器的典型应用【学习目标】1.知道电容式传感器的工作原理及特点；2.理解电容式传感器的测量电路；3.了解电容式传感器的分类及应用【重点和难点】重点：电容式传感器的工作原理、测量电路；电容式传感器的灵敏度及非线性分析。难点：二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路的工作原理。【职业素养】1.深入理解平板电容式传感器（变面积型、变介质型、变极距型）以及圆筒电容式传感器（变介质型）的工作原理；2.理解调频电路、运算放大器、变压器式交流电桥、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等测量电桥；3.了解电容式传感器的典型应用；4.会分析变极距型电容式传感器的非线性。第4章-电容式传感器4.1电容式传感器工作原理4.1电容式传感器工作原理S——极板相对覆盖面；

d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数；ε0

＝8.854×10-12(F/m)ε——电容极板间介质的介电常数。ε=ε0εr

δSε

由物理学可知，由两平行板组成的平行板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：dS4.1.1变面积式电容传感器4.1电容式传感器工作原理可见，增加极板宽度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。此传感器的灵敏度K可用下式求得对于图a平板形位移电容传感器，当动极板移动x后：C0——初始电容值灵敏度为常数线性关系4.1电容式传感器工作原理

平板电容式角位移传感器结构如图4-3所示。设两片极板完全重合（

）时的电容量为

，动极板转动角度

后，电容量变为电容变化量为灵敏度为4.1.2变极距式电容传感器4.1电容式传感器工作原理若变极距式电容器受外力作用，极距减小

，则电容器容量改变为：若

，则

，该式可化简为其灵敏度为4.1电容式传感器工作原理差动变极距式电容传感器在实际应用中，为了改善非线性特性，提高灵敏度及减少电源电压、环境温度等外界因素的影响，电容传感器也常做成差动形式，电容差值为：此时传感器灵敏度由此可见，在电容传感器做成差动式之后，灵敏度提高一倍，且非线性误差减少一个数量级，因此在实际应用中被较多采用。4.1电容式传感器工作原理常见的差动电容式传感器还有以下几种类型，结构原理图如图所示4.1.2变介电常数式电容传感器4.1电容式传感器工作原理

因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数4.1电容式传感器工作原理平面式平面式测位移传感器当有位移输人时，介质板向左移动，使部分介质的介电常数改变，则此时等效电容相当于、并联

，

，即由此可见，电容变化量

与位移

呈线性关系。4.1电容式传感器工作原理测厚仪该电容器的总电容等于由两种介质分别组成的两个电容

与

串联，即

由上式可知，若被测介质的介电常数ex已知，测出输出电容C的值，可求出待测材料的厚度x。若厚度x已知，测出输出电容C的值，也可求出待测材料的介电常数ex。因此，可将此传感器用作介电常数ex测量仪。4.1电容式传感器工作原理圆柱式圆柱式电容器结构图电容式液位计圆柱式电容的计算公式为：下图为电容式液位计原理图。同心圆柱状极板，插入液体深度

，两极板间构成电容式传感器。该电容器总电容为：4.2电容式传感器测量电路4.2电容式传感器测量电路

转换电路实现将微小的电容变化转换为电压、电流或频率等信号。电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥等。被测非电量电容变化电量电容式传感器转换电路2026/6/4174.2.1调频电路

调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。4.2电容式传感器测量电路2026/6/418当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容所调制。

调频电路的灵敏度高，抗干扰能力强。调频振荡器的频率为：

Ｌ—振荡回路的电感Ｃ—振荡回路总电容4.2电容式传感器测量电路2026/6/419

将电容器接入开环放大倍数为Ａ的运算放大电路中，作为电路的反馈组件。4.2.2运算放大器式电路

图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压。传感器电容4.2电容式传感器测量电路2026/6/420由理想放大器的工作原理可得：结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性。4.2电容式传感器测量电路4.2.3变压器式交流电桥4.2电容式传感器测量电路变压器式交流电桥电路

如图所示为差动接法变压器交流电桥电路，其中相邻两臂接入差动结构的电容传感器。电容传感器没有检测到被测量时，

，电路输出当被测量变化时，则输出电压

与

之间的关系可表示为由上式表明，变压器交流电桥电路

与被测电容

之间呈线性关系。4.2.4脉冲宽度调制电路4.2电容式传感器测量电路原理图

波形图

电路分析：双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。4.2电容式传感器测量电路根据电路知识可求出将这两个式子代入上式，可得4.2电容式传感器测量电路4.2.1电容式压力传感器差动电容式压力传感器原理图电容式差压变送器实物图

上图所示为差动电容式压力传感器原理图。把绝缘的玻璃或陶瓷材料内侧磨成球面，在球面上镀上金属镀层做两固定的电极板。在两个电极板中间焊接一金属膜片，作为可动电极板，用于感受外界的压力。在动极板和定极板之间填充硅油。无压力时,膜片位于电极中间，上下两电路相等。加人压力时,在被测压力的作用下，膜片弯向低压的一边,从而使一个电容量增加，另一个电容量减少，电容量变化的大小反映了压力变化的大小。该压力传感器可用于测量微小压差。4.2电容式传感器测量电路4.2.2电容式位移传感器变面积式位移传感器结构图

这种电容式位移传感器采用了差动式结构如图所示。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。4.2电容式传感器测量电路4.2.3电容式加速度传感器电容式加速度传感器结构图

当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时,质量块在惯性空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小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，一个减小，从而使

、

产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速。

加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。4.2电容式传感器测量电路4.2.2电容式带材测厚仪电容式测厚仪结构图

在板材轧制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况。在被测带材的上下两边各设置一块面积相等、与带材距离相同的极板，这样极板与带材就形成了上下两个电容器

、

。把两块极板用导线连起来就成为一个极板，而带材则是电容器的另一极板，其总电容

。

如果带材厚度发生变化，将引起带材与上下两个极板间间距的变化，即电容量的变化，如果总电容量

作为交流电桥的一个臂，电容的变化

将引起电桥的不平衡输出，经过放大、检波、滤波，最后在仪表上显示出带材的厚度。【本章小结】1.电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好等优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。2.只要固定平行板电容器3个参量

、

、

中的两个，只要另外一个参数改变，则电容量就将产生变化，所以电容式传感器可以分成3种类型：变面积式、变间隙式与变介电常数