《傳感器元件與實(shí)驗(yàn)》課件-2.5

2.5電容傳感器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院能將被測量轉(zhuǎn)換成電容量的測量裝置我們稱其為電容傳感器，它與電阻傳感器和電感傳感器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)。(1)測量范圍大，如

，金屬應(yīng)變片低于1%，半導(dǎo)體應(yīng)變片約20%，而

可達(dá)100%。(2)靈敏度高，電容值的靈敏度高，其相對變化量可達(dá)10-7。(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，電容傳感器可動(dòng)部分質(zhì)量小，因而固有頻率高，適于動(dòng)態(tài)測量。(4)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，電容傳感器用金屬板作電極，用石英、陶瓷等無機(jī)材料作絕緣支承，因而可以耐高溫和強(qiáng)輻射，在惡劣環(huán)境中亦可正常工作。序言南京理工大學(xué)紫金學(xué)院南京理工大學(xué)紫金學(xué)院第一節(jié)

電容傳感器工作原理電容傳感器工作原理以電容器作為敏感元件的電容傳感器，是將被測的非電量轉(zhuǎn)換為電容量。根據(jù)平行板電容量的變化原理，當(dāng)忽略極板間電場的邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量的計(jì)算式為南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院第二節(jié)

變面積（s）型變面積（s）型改變兩平行板電極間的有效面積(S)通常有兩種方式，如圖2.46所示，分別為角位移式和直線位移式，其工作原理及特性分述如下。（1）角位移式圖2.46a)所示為一個(gè)角位移式變S型電容傳感器，當(dāng)動(dòng)片1相對于定片2有一角位移時(shí)，兩極板之間的有效面積發(fā)生相應(yīng)變化，其表達(dá)式為南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

a)角位移b)直線位移

變面積（s）型（2）直線位移式圖b)所示為一個(gè)直線位移式變S型電容傳感器，當(dāng)動(dòng)片1相對于定片2有一直線位移時(shí)，兩極板之間的有效面積發(fā)生相應(yīng)變化，其表達(dá)式為南京理工大學(xué)紫金學(xué)院a)角位移b)直線位移

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

不同的電介質(zhì)，具有不同的介電常數(shù)(DielectricConstant)，改變極板間介質(zhì)的介電常數(shù)就可以改變電容量的大小，這種傳感器常用于檢測容器中液位的高度或片狀電介質(zhì)的厚度。圖所示為電容液位計(jì)原理圖，圖中電極1和電極2為半徑分別為r和R的兩個(gè)同心圓筒，高度為h，浸沒在液位高為h1的液體內(nèi)，液面上部電容高度h2。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院以高度h1不導(dǎo)電液體(若為導(dǎo)電液體，電極需要絕緣)為電介質(zhì)的部分電容量C1

電容器總電容量C為C1和C2相并聯(lián)。即南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

電容器總電容量C為C1和C2相并聯(lián)。即南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

圖2.49所示為變電容極板間距離(d)型測微位移的電容傳感器，圖中極板1是固定不動(dòng)的，極板2是可以沿X方向平行位移的，從而改變兩極板之間的距離d的大小。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

；下移時(shí)

)，則電容量為

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院第五節(jié)

差動(dòng)電容傳感器差動(dòng)電容傳感器單電容傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其線性度或靈敏度較低，為了提高線性度或靈敏度，實(shí)際中常采用差動(dòng)電容傳感器(DifferentialCapacitanceSensor)，如圖2.50所示。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院a）變d型b）變S型（1）變d型

圖2.50a)所示為變極間距離型差動(dòng)電容傳感器。上下兩電極板位置固定，中間電極板可沿X方向上下移動(dòng)，從而改變極間距離d1和d2，以改變電容C1和C2的大小。電容C1和C2隨中間極板移動(dòng)，一增一減，構(gòu)成差動(dòng)工作方式。設(shè)初態(tài)中間極板居中，即d1=d2=d，此時(shí)電容，取差動(dòng)輸出則

差動(dòng)電容傳感器（2）變S型南京理工大學(xué)紫金學(xué)院圖2.50b)所示為變極間有效面積型差動(dòng)電容傳感器。上下兩圓筒電極固定，中間圓筒電極可沿X方向移動(dòng)；當(dāng)中間圓筒電極上下移動(dòng)時(shí)，上下電容器極板的有效面積S1和S2作反向變化，于是電容C1和C2一增一減，構(gòu)成差動(dòng)工作方式。設(shè)初態(tài)時(shí)中間圓筒電極居中，即

，，，取差動(dòng)輸出

式(2.63)亦表明變S型差動(dòng)電容傳感器具有較高的靈敏度和較好的線性度。電容傳感器的輸出電容值一般十分微小(幾皮乏至幾十皮乏)，這樣小的電容量不便于直接測量和顯示，因而也須借助于一些測量電路，將微小的電容值轉(zhuǎn)換為一定量的電壓、電流或頻率信號。下面介紹幾種主要形式的測量電路。電容傳感器測量電橋亦有單臂橋、差動(dòng)橋、緊耦合橋3種形式。差動(dòng)電容傳感器（1）單臂橋圖2.51a)所示為單臂橋測量電路，圖中C1，C2，C3為固定標(biāo)準(zhǔn)電容，CX為傳感器電容。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院a）單壁橋電容傳感器橋式測量電路b）差動(dòng)橋電容傳感器橋式測量電路

差動(dòng)電容傳感器（2）差動(dòng)橋圖2.51b)所示為差動(dòng)橋測量電路，圖中C1和C2為傳感器電容，與變壓器帶中心軸頭的副邊兩線圈構(gòu)成差動(dòng)測量電橋。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院1)初態(tài)時(shí)：兩傳感器電容，此時(shí)電橋空載輸出為2)工作時(shí)：

若,則，此時(shí)電橋空載輸出

差動(dòng)電容傳感器3）緊耦合橋圖2.52所示為緊耦合橋測量電路，圖中C1和C2為差動(dòng)電容傳感器兩電容；L0為兩緊耦合線圈的自感，其互感為M。圖2.53所示為圖2.52的等效電路，其結(jié)構(gòu)形式與圖2.28緊耦合測所示差動(dòng)電感傳感器緊耦合測量橋等效電路完全一樣，但兩者中的傳感器阻抗Z1和Z2是不同的。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院圖2.52緊耦合橋電容傳感器橋式測量電路

圖2.53差動(dòng)電容傳感器緊耦合測量橋差動(dòng)電容傳感器南京理工大學(xué)紫金學(xué)院等效電路(1)初態(tài)時(shí)：兩傳感器電容C1=C2=C，即測量電橋平衡，輸出電壓Uo=0。(2)工作時(shí)：,即，，此時(shí)

代入式(2.64)得

當(dāng)時(shí)，有差動(dòng)電容傳感器差動(dòng)電容傳感器測量電橋靈敏度曲線如圖2.54所示。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院圖2.54差動(dòng)電容傳感器測量電橋靈敏度曲線圖中曲線1為完全不耦合(K=0)時(shí)的情況，此時(shí)

，諧振點(diǎn)在

處，即

時(shí)，，測量橋輸出Uo急劇增加，靈敏度KB＞100。而在諧振點(diǎn)的兩側(cè)，靈敏度KB急劇下降，且不穩(wěn)定。圖中曲線2為緊耦合(0≤K≤1)時(shí)的情況，此時(shí)諧振點(diǎn)在

處。當(dāng)

上升迅速下降；當(dāng)

>1時(shí)，為線性輸出狀態(tài)。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院第六節(jié)

差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖2.55所示為差動(dòng)電容傳感器脈沖調(diào)寬(Pulse-widthModulation)電路原理圖。圖中Uf為參考電壓，A1和A2為電壓比較器，C1和C2為傳感器兩差動(dòng)電容，D1和D2兩二極管為電容C1和C2提供快速放電通道，R1和R2為C1和C2充電通道電阻，通常取R1=R2=R。南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路南京理工大學(xué)紫金學(xué)院a)初態(tài)b)工態(tài)如圖差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖圖中T1和T2分別為電容C1和C2的充電時(shí)間，其大小為

式中UH為RS觸發(fā)器輸出的高電位，此時(shí)穩(wěn)態(tài)1和穩(wěn)態(tài)0輸出的高電位UA=UB，UAB正、負(fù)脈沖對稱，故其平均值為0。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

差動(dòng)電壓傳感器

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

南京理工大學(xué)紫金學(xué)院第七節(jié)

電容調(diào)頻電路電容調(diào)頻電路電容調(diào)頻電路是把傳感電容作為調(diào)頻振蕩電路的一部分，當(dāng)被測量使電容發(fā)生變化時(shí)，振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)變化，即南京理工大學(xué)紫金學(xué)院

因而，振蕩器輸出的信號是一個(gè)受被測量調(diào)制的