電容式傳感器

1、電容式傳感器1采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉換為電容量的變化。換為電容量的變化。被測信息被測信息敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件輔助電源輔助電源信號調理電路信號調理電路輸出信息輸出信息電容元件電容元件電容元件電容元件實際上是一個實際上是一個具有可變參數(shù)具有可變參數(shù)的電容器的電容器電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、物位、壓力、成份分析、介質特性等方面的測量。電容式傳感器21.1.掌握電容式傳感器的類型（根據(jù)工作原理）、特掌握電容式傳感器的類型（根據(jù)工作原理）、特點及其應用；點及其應用；2.2.了解電容式傳感器的測量電路；了解電容

2、式傳感器的測量電路；3.3.了解電容式傳感器的特點；了解電容式傳感器的特點；4.4.了解電容式傳感器的應用了解電容式傳感器的應用電容式傳感器31. 工作原理及類型工作原理及類型用兩塊金屬平板作電極可構成電容器，當忽略邊緣效應時其電容C為：A、A A或或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。變面積型變面積型電容式傳感器電容式傳感器變極距型變極距型變介質型變介質型0AC 電容式傳感器4（1） 極距變化型極距變化型變極距型傳感器常常是一塊極板固定而使另一塊極板移動，從而改變極距以引起電容的變化。+因此電容器傳感器的靈敏度為： 02ACS 靈敏度與極距的平方值成反比，極距越小

3、時靈敏度越高。為減小非線性誤差，該類傳感器通常用于測量微小位移。0AC 02AC 電容式傳感器5n為減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內工作以便獲得近似的線性關系。一般取極距變化范圍為n減小可以提高靈敏度。但過小易導致電容器擊穿?？稍跇O間加一層云母片或塑料膜來改善電容器耐壓性能。02ACS 0.1 電容式傳感器6為提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件（如為提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等），常采用差動式結構。電源電壓、環(huán)境溫度等），常采用差動式結構。在零點位置上設置一個可動的接地中心電極，它離兩塊極板在零點位置上設置一個可動的接地中心電極，

4、它離兩塊極板的距離均為的距離均為電容式傳感器7設可動極板上移設可動極板上移 ，則，則 增大，增大， 減小。減小。1C23100000011()()1CCC23200001()()CC 電容的總變化量為：電容的總變化量為：002CC靈敏度為：靈敏度為：002CCS可見，采用差動式電容傳感器，靈敏度提高一倍，非線性得到改善?？梢?，采用差動式電容傳感器，靈敏度提高一倍，非線性得到改善。變極距型差動電容傳感器變極距型差動電容傳感器2C31200022()CCCC 電容式傳感器8（2） 面積變化型面積變化型0AC 電容式傳感器9A ) A ) 角位移式電容傳感器角位移式電容傳感器可見，電容值與角位移可見

5、，電容值與角位移 呈線性關系。呈線性關系。22rA202rC 此時，傳感器的靈敏度此時，傳感器的靈敏度k k為：為：202dCrkd 常 數(shù)當動板有一轉角當動板有一轉角 時，由于覆蓋面積變時，由于覆蓋面積變化，電容量改變?；娙萘扛淖?。電容式傳感器10B ) B ) 直線位移式電容傳感器直線位移式電容傳感器當可動極板移動距離當可動極板移動距離x x時，面積時，面積S S發(fā)生變化，發(fā)生變化，電容量：電容量：傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：0 xdCbxkdx 常 數(shù)0 xbxC 電容式傳感器11C ) C ) 圓柱體線位移式電容傳感器圓柱體線位移式電容傳感器隨動板圓柱的位移，定板圓柱與動板

6、圓柱之間的覆蓋面積發(fā)生變化，從而隨動板圓柱的位移，定板圓柱與動板圓柱之間的覆蓋面積發(fā)生變化，從而電容量發(fā)生變化。電容量發(fā)生變化。02ln()xCD d 兩個同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：兩個同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：x當覆蓋長度變化時，當覆蓋長度變化時，02ln()CkxD d 常數(shù)通過通過A A）B B）C C）的分析可得出結論：變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，）的分析可得出結論：變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即具有良好的線性，但靈敏度較變極距型低。大多數(shù)用來檢測較大直線即具有良好的線性，但靈敏度較變極距型低。大多數(shù)用來檢測較大直線位移及角位移等參數(shù)。位移及角位移等

7、參數(shù)。變面積式電容傳感器也采用差動形式，可使靈敏度提高一倍。變面積式電容傳感器也采用差動形式，可使靈敏度提高一倍。電容式傳感器12（3） 介質變化型介質變化型當電容式傳感器中的電介質改變時，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容當電容式傳感器中的電介質改變時，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。量發(fā)生變化。這類傳感器常用做檢測容器中片狀材料的厚度、液面高度等，也可用來這類傳感器常用做檢測容器中片狀材料的厚度、液面高度等，也可用來測量介質材料的濕度、介電常數(shù)等。測量介質材料的濕度、介電常數(shù)等。A ) A ) 電容測厚儀電容測厚儀C0C1C0101C CCCC這種傳感器的電容量等于兩個電容這種傳感器

8、的電容量等于兩個電容 和和 相串聯(lián)相串聯(lián)0C1C0AC 電容式傳感器130010101000010111011011AAC CAACAACC 此時此時 為空氣相對介電常數(shù)，為空氣相對介電常數(shù)， 為待測體的相對介電常數(shù)，為待測體的相對介電常數(shù)，當厚度當厚度 不變時，此電容傳感器可作為介電常數(shù)測量儀。不變時，此電容傳感器可作為介電常數(shù)測量儀。011 如果待測體的介電常數(shù)如果待測體的介電常數(shù) 不變時，可作測厚儀使用。不變時，可作測厚儀使用。10101C CCCC10電容式傳感器14B ) B ) 電容液面計電容液面計兩個同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：兩個同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：

9、這類傳感器常常采用同軸圓筒電極組成的電容器作為測量裝置。這類傳感器常常采用同軸圓筒電極組成的電容器作為測量裝置。02ln()hCD d 電容式傳感器15設容器中介質是不導電液體（如果是導電液設容器中介質是不導電液體（如果是導電液體，則電極需絕緣）體，則電極需絕緣）總的電容總的電容 相當于上方氣體介質間的電容量相當于上方氣體介質間的電容量 和液體介質間電容量和液體介質間電容量 之和之和（相并聯(lián)）。（相并聯(lián)）。022021122()ln(/)ln(/)hhhCDdDd 01122ln(/)hCDd 1C2CC021011120201212()2ln(/)ln(/)22()ln(/)ln(/)hhh

10、CCCDdDdhhDdDd AK1KhAC可見，同軸圓筒電容傳感器的電容量可見，同軸圓筒電容傳感器的電容量與液位成線性關系與液位成線性關系。C1CC221CCC電容式傳感器16電容式傳感器的電容值一般十分微小，不便于直接顯示、記錄和傳輸。因此，電容式傳感器的電容值一般十分微小，不便于直接顯示、記錄和傳輸。因此，必須借助于測量電路檢測出這個微小的電容變量，并轉換為電壓、電流或頻必須借助于測量電路檢測出這個微小的電容變量，并轉換為電壓、電流或頻率信號。率信號。2. 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路與電容式傳感器配用的測量電路很多，常用的有橋式電路、調與電容式傳感器配用的測量電路很多，常

11、用的有橋式電路、調頻振蕩電路、運算放大器式電路和脈沖調寬型電路等幾種。頻振蕩電路、運算放大器式電路和脈沖調寬型電路等幾種。 電容式傳感器17（一）（一） 交流電橋交流電橋Ui交流放大器相敏檢波器低通濾波器Z1Z2Z3Z4SCUE電容傳感器阻抗電容傳感器阻抗電容式傳感器18電橋初始平衡條件：電橋初始平衡條件：3241ZZZZ0SCU當被測參數(shù)引起傳感器阻抗變化當被測參數(shù)引起傳感器阻抗變化 時，時，ZEZZZZZZZZUSC)(433211代入初始平衡條件，化簡：代入初始平衡條件，化簡：EZZZZZZUSC221211)1()(1S CZUZ對于電容傳感元件來說，有如下關系：對于電容傳感元件來說，

12、有如下關系：111ZCdZCd電容式傳感器19Cr1Cr2USCU電容式傳感器20（二）（二） 調頻振蕩電路調頻振蕩電路這種電路是把電容傳感器作為振蕩器電路的一部分，當被測量變化而這種電路是把電容傳感器作為振蕩器電路的一部分，當被測量變化而使電容量發(fā)生變化時，能使振蕩頻率發(fā)生相應的變化。由于振蕩器的使電容量發(fā)生變化時，能使振蕩頻率發(fā)生相應的變化。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的電容調制故稱為調頻電路。頻率受電容傳感器的電容調制故稱為調頻電路。這種電路具有抗干擾性強，靈敏度高等優(yōu)點；這種電路具有抗干擾性強，靈敏度高等優(yōu)點；但缺點是電纜電容的影響較大。但缺點是電纜電容的影響較大。電容式傳感器21（三

13、）（三） 運算放大器電路運算放大器電路當運放的輸入阻抗很高，增益很大時，認為輸入電流當運放的輸入阻抗很高，增益很大時，認為輸入電流 ，則，則0I00yxuCuC 000yCuuA 從原理上解決了使用單個變間隙型電容傳感器輸出特性的非線性。從原理上解決了使用單個變間隙型電容傳感器輸出特性的非線性。該電路要求固定電容該電路要求固定電容 必須穩(wěn)定，信號源電壓必須采取穩(wěn)壓措施必須穩(wěn)定，信號源電壓必須采取穩(wěn)壓措施0C0I電容式傳感器22（四）脈沖調寬型電路（四）脈沖調寬型電路該電路由比較器該電路由比較器A A1 1 A A2 2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。C1

14、C1、C2C2為差動電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端為差動電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端A A、B B作為差動脈沖寬度作為差動脈沖寬度調制電路的輸出。調制電路的輸出。寬度受寬度受C1C1、C2C2調制的方波脈調制的方波脈沖沖電容式傳感器23設充電電阻設充電電阻12121UCCCCUSC由于由于C1C1、C2C2大小不同，導致差動電大小不同，導致差動電容的充電時間不同，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)容的充電時間不同，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的方波脈沖寬度不同。器輸出端的方波脈沖寬度不同。1211UTTTUAP1212UTTTUBP21211TTTTUUUUBPAPSCFUUUCRT11111lnFUUUCRT11222

15、lnRRR2112121UCCCCUSC各點電壓波形圖各點電壓波形圖電容式傳感器24特點：特點：1. 1. 不需要附加調制器即能獲得直流輸出；不需要附加調制器即能獲得直流輸出；2. 2. 輸出信號一般為輸出信號一般為100kHz100kHz1MHz1MHz的矩形波，所以直流輸出只需要經(jīng)的矩形波，所以直流輸出只需要經(jīng)過低通濾波器簡單引出；過低通濾波器簡單引出；電容式傳感器253. 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用（一）電容測厚儀（一）電容測厚儀 當被軋板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則當被軋板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則 發(fā)生變化。發(fā)生變化。 增大，增大，表示板材厚度變厚；表示板材厚

16、度變厚； 減小，表示板材厚度變薄。減小，表示板材厚度變薄。 的變化經(jīng)過電橋的變化經(jīng)過電橋調節(jié)后，由耦合電容輸出給運放進行放大，再經(jīng)過整流濾波和差動放調節(jié)后，由耦合電容輸出給運放進行放大，再經(jīng)過整流濾波和差動放大后，一方面由顯示儀表讀出板材厚度，一方面通過反饋回路將偏差大后，一方面由顯示儀表讀出板材厚度，一方面通過反饋回路將偏差信號送給壓力調節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內。信號送給壓力調節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內。xCxCxCxC電容式傳感器26（二）電纜偏心測量（二）電纜偏心測量 圖為測量電纜芯的偏心原理圖，在實際應用中是用兩對電容傳感器，圖為測量電纜芯的偏心原理圖，在實際應用中是用兩

17、對電容傳感器，分別測出在分別測出在x方向和方向和y方向的偏移量，再經(jīng)計算得出偏心值。方向的偏移量，再經(jīng)計算得出偏心值。 電容式傳感器27（三）電容式壓力傳感器（三）電容式壓力傳感器 它由金屬彈性膜片與鍍金凹型玻璃圓片組成。當被測壓力它由金屬彈性膜片與鍍金凹型玻璃圓片組成。當被測壓力P通過過濾通過過濾器進入空腔時，由于彈性膜片兩側的壓力差，使彈性膜片凸向一側，器進入空腔時，由于彈性膜片兩側的壓力差，使彈性膜片凸向一側，產生位移，該位移改變兩個鍍金玻璃圓片與彈性膜片間的電容量。產生位移，該位移改變兩個鍍金玻璃圓片與彈性膜片間的電容量。電容式傳感器2800CCCCCAAL00CCCCCAAHACC ,0如何求？如何求？電容式傳感器29對于一個球面平面型電容器，在忽略邊緣效應時，可用單元積分法求對于一個球面平面型電容器，在忽略邊緣效應時，可用單元積分法求出出ACC ,0)(ln8.100pFddRCbr2220ln4baaPPRCLHrA電容式傳感器30上述差動式電容傳感器配置二極管環(huán)行檢波電路，即可輸出（上述差動式電容傳感器配置二極管環(huán)行檢波電路，即可輸出（420）mA標準電流信號。標準電流信號。00CCCCCAAL00CCCCCAAH穩(wěn)幅放大器穩(wěn)幅放大器比例放大器比例放大器恒壓恒流源恒壓恒流源電流轉換器電流轉換器電容式傳感器31FFBHLHLFSCRURUCCCCRRII0將兩