部分传感器原理2-电容式

1、二、电容式传感器,1.变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化， 实质上是一个具有可变参数的电容器。,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,d、A 或 e 发生变化时，都会引起电容的变化。,第三章 常用传感器与敏感元件,e 极板间介质的相对介电系数， 在空气中为1。,式中，,e 0 真空介质介电系数，=8.8510-12F/m,d 极板间距离(m)；A 极板面积(m2)。,由此可得到传感器的灵敏度,(1)极距变化型,与极距平方成反比， d，S 。,电容式传感器,如果电容器的面积和极间介质不变，极距 有一个微小变化量dd 时，引起电容的变化量dC 为,由于灵敏度随极距平方而反比变化，会引起非

2、线性误差。为了减少此误差，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约为Dd/d0 0.1 。,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件 (如电源电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。,优点:是可进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小;灵敏度高，适用于较小位移 (0.01mm-数百微米)的测量。 缺点:有非线性特性、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精确度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂，由于这些，其使用范围受到一定限制。,电容式传感器,应用实例,电容式传感器,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作

3、为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,电容式传感器,(2)面积变化型, 角位移型,电容式传感器,当动极板有一转角时，与定极板之间相互覆盖面积发生变化，导致电容量变化。,覆盖面积,覆盖面积对应的中心角,常数 输出与输入成线性关系,灵敏度, 平面线位移型,电容式传感器,Dx,x,b,当动极板沿水平方向移动时，与定极板之间相互覆盖面积发生变化，导致电容量变化。,电容量,灵敏度,常数 输出与输入成线性关系, 柱面线位移型,电容式传感器,当动极板(圆筒)沿垂直方向移动时，与定极板(圆筒)之间相互覆盖面

4、积发生变化，导致电容量变化。,电容量,常数 输出与输入成线性关系,d,D,灵敏度,面积变化型的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适合于较大位移测量。,产品,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,电容式传感器,(3)介质变化型,电容式传感器,利用介质介电常数变化，将被测量转化为电容量变化。,电容量,以插入式为例,应用： 测量 厚度、 高度等,介质变化型电容传感器应用例,测量原理：当介质的厚度、高度、温度或湿度变化时，其介电常数发生变化，引起电容量的变化。,介质厚度、湿度、温度计,介质液位计,电容式传感器,归纳： 电容传感器特点及应用,特点

5、：分辨力极高（电容值10-7 ，位移0.01m ， 相对值100%200%） 动极板质量小，惯性小，动态响应好； 非接触，结构简单，自身发热和功耗小； 不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强。,应用：微信息检测测微仪； 静态测量金属零件计数 高频信号检测振动，转速；,电容式传感器,产品,电容式液位传感器（液位计/料位计）,电容式传感器,产品：电容式接近开关,被测物体,感应电极,电容式传感器,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或

6、粉状物体。,2. 测量电路,(1)电桥电路,电容式传感器测量电路,如右图所示,电容传感器作为桥路的一部分,由电容变化转换为电桥的电压输出,通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥。,差动式交流电桥,电容极距变化 电容变化 电桥输出电压变化,工作原理,电桥输出为调幅波，经放大、相敏检波、滤波后获得输出,平衡条件（U0 = 0）,对于一般的交流电桥： 如下图所示，Z表示阻感， 输出电压为,阻抗的模,阻抗角,i =1, 2, 3, 4,交流电桥平衡必须同时满足以上两个条件,电容式传感器测量电路,由平衡条件可得,平衡 条件,电容式传感器测量电路,平衡条件,若取：L1=L2=L , C1=C2=C,设

7、：Dd为向上移动， 则：C1C +DC， C2C -DC,输出电压：,电容式传感器测量电路,+,+,+,-,-,-,+,-,(2)直流极化电路,也称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。如右图所示，弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。电容器接于具有直流极化电压 E0 的电路，电容的变化由高阻值电阻 R 转换为电压输出。,电流：,输出 电压：,式（3-14）,输出电压 与膜片速 度成正比,i,式（3-21）,只适用于动态测量,电容式传感器测量电路,(3)谐振电路,上图为谐振电路原理及其工作特性。电容器传感器的电容 Cx 作为谐振电路调谐电容的一部分。,谐振电路,当Cx电容量发生变化时，谐振回路的阻抗随之变化，并被转换为电压或电流输出，经放大、检波，即可得到输出。,特点：该电路比较灵敏，但工作点不易选择，变化范围小，传感器连接电缆的杂散电容影响也较大。,电容式传感器测量电路,(4)调频电路,如下图所示，电容器传感器的电容 Cx为谐振电路的一部分，当输入量电容 Cx使发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。,优点：灵敏高、抗干扰性强等优点， 可测0.01mm的位移变化量。 缺点：电缆电容影响较大，使用中 有些不便。,电容式传感器测量电路,(5)运算放大器电路,输入阻抗采用固定电容 C0 ，反馈阻抗采用电容器传感器 Cx ，根据