第4章电容式传感器 (2)
合集下载
电容式传感器原理和应用
2(d)
d0
d0
比较以上式子可见，电容传感器做成差动式之 后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降 低了。
4.3 特点及应用中存在的问题
4.3.1 电容式传感器的特点
1．优点： ●温度稳定性好
电容式传感器的电容值一般与电极材料无关， 有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热 极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻， 供电后产生热量；电感式传感器有铜损、磁游 和涡流损耗等，易发热产生零漂。 ●结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证
4.1电容式传感器的工作原理和结构
4.1.2 变面积型电容式传感器
图4-3 变面积型电容传感器原理图
上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而改变电容量。
4.1电容式传感器的工作原理和结构
当动极板相对于定极板延长度a方向平移Δx时，
可得：
图4-1 变极距型电容传感器原理图
4.1电容式传感器的工作原理和结构
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd，电容量增大
Δ由C式，(则4C -3有)知C0传 感C器d的00输rA出d特C1性0(1(Cdd =0d2)d02f()d)不是(4线3)性关系，
而是如图4-2所示的曲线关系。
C d 1d
(1 )
C0 d0
d0
由此可得出传感器的相对非线性误差δ为：
(d)2 d
100%
d
100%
d
d0
d
由以上三个式可以看出：要提高灵敏度，应减 小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而 增大。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。
第4章-电容式传感器资料
,
D1
L ：筒长
C0
rL
1.80ln D0
(L/
cm ; C
/
pF )
D1
D1 a
L
当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当
内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：
D0
圆柱形电容式线位移传感器
C1
2
0r L
ln D0
a
C
0
1
a L
,
与a成线性关系。
D1
1.3 变介质型电容式传感器
厚度传感器
聚四氟乙烯外套
设定按钮
智能化液位传感器的设定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当液位达到设定值 时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正 常使用时，当水位高于该点后，即可发出报 警信号和控制信号。
4-1 电容式传感器的工作原理
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板 电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：
电 容式传感器
变间隙型
变面积型
变介质型
在实际使用时，电容式传感器常以改变平行板间 距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高 于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级 的位移，而改变面积A的传感器只适用于测量厘 米数量级的位移。
1. 变极距型电容传感器
下图为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr
概述
电容式传感器是实现非电量到电容量转 化的一类传感器。 可以应用于位移、振动、角度、加速度等参 数的测量中。 由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨 率高，且可非接触测量，因此很有应用前景。
电容式液位计
棒状电极（金属管）外面包裹聚 四氟乙烯套管，当被测液体的液面上 升时，引起棒状电极与导电液体之 间的电容变大。
第4章 电容式传感器
二、变极距型电容传 极距型电容传 感器
+ + +
+ + +
C =
ε 0εA δ
A
d
初始电容量C0为 ：
εr
C0 =
∆C，则有
ε 0ε r S
d0
若电容器极板间距离由初始值d0缩小了∆d，电容量增大了
C0 = C = C0 + ∆C = d 0 − ∆d 1 − ∆d d0
ε 0ε r S
C C
20~100pF之间， 极板间距离在25~200µm 的范围内。最大 位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。
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。 在差动式平板电容器中，当动极板位移∆d时，电容器 C1的间隙d1变为d0-∆d，电容器C2的间隙d2变为d0+∆d, 则
δ
(a)
(b)
(c)
(d )
δ2
(e)
δ1
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
一、变面积式电容传感器
1、角位移型
+ + +
2、平面线位移型
3、柱面线位移型. 柱面线位移型.
a d ∆x S b
∆C = C − C0 =
x
ε 0ε r ∆x ⋅ b
d
式中C0=ε0εr ab/d 为初始电容。电容相对变化量为
可见，输出电容的相对变化量∆C/C0与输入位移∆d之间成 非线性关系，当|∆d/d0|<<1时可略去高次项，得到近似的 线性关系：
∆C ∆d ≈ C0 d0
传感器与检测技术-第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器的工作原理和类型
平板电容器是由金属极板及板间电介质构成的。若忽略边缘效应，其 电容量为
改变电容器电容C的方法： 一是为改变介质的介电常数ε； 二是改变形成电容的有效面积S； 三是改变两个极板间的距离d。
电容式传感器基本类型
通过改变电容得到电参数的输出为电容值的增量ΔC，从
• 4.2.1 电容式传感器的等效电路
• 在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图 b，其中等效电容Ce＝C0 + CP，等效电阻Re≈Rg。 • 在高频时，传感器电容的阻抗就变小了，因此L和r的影响不可忽略，而漏电
阻的影响可以忽略。
• 其等效电路可简化为图c，其中等效电容Ce＝C0+CP，而等效电阻re ≈ rg。
• 在实际应用中，为了提高测量精度，减动极板与定极板之间 的相对面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。
• 3．变介电常数型电容传感器
• 变介电常数式电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量 的变化使其极板之间的介质情况发生变化。
• 传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果，即
若传感器的极板为两同心圆筒，传感器的总电容C等于上、下部分电容C1 和C2的并联，即
2．变面积型电容传感器
与变极距型相比，它们的测量范围大。可测较大的线位移或角位移。 平板型电容传感器两极板间的电容量为
• 可见，变面积型电容传感器的输出特性是线性的，适合测量较 大的位移
• 增大极板长度b，减小间距d，可使灵敏度提高
• 极板宽度a的大小不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘影 响增大，非线性将增大。
而完成由被测量到电容量变化的转换。
第4章 电容式传感器
2E z 2 z1 E c1 c 2 E z2 E z1 z 2 z1 z 2 c1 c 2
z3 z 4
若采用变极距差动电容传感器，移动△d 后，
c1 s d 0 d
则， u 0
c2 s d 0 d
2 C AC C BC c0 d k 2 1 d d0 d0
△CBC 同前，对于△CAC ，因 d 0－△d，△d 为负， 所以和奇次项前的负号抵消。 灵敏度提高一倍，且奇次项
d 抵消，非线性减小。 d 0
d s 1 时， k 2 d0 d0
使 k 趋于常数，输入与输出是近似线性关系。 d 0↑、k↓,一般 d 0 在 0.5～1mm 以下 但 d 0 过小，电容器易击穿或短路，一般加介电常数ε 高的物质来改善。
c
s
2
d2
1
d1
d d d d 2 1 1 1 1 1 2 1 2 c c1 c 2 1 s 2 s s 1 2
代入 W
R 2C 4L
2
k 2 4 2 2 1 2 02 0
2
工作原理： 非电量→传感器→电容值变化→谐振频率 f0 改 变→谐振曲线在原工作点 A 附近移动→电容传感器 上的电压 uc 变化。 特点：输出是调幅波，该电路灵敏度高，但测量范 围小，工作点不易选好。 要求振荡频率稳定在 10-6 数量级。 输出信号与激励原同频率，幅度受到非电量 调制的调幅波 三、调频鉴频法测量电路
1
1 x 1 1 x x2 x3 1 x 2 3 s d d d d 当△d/d0<1 时， c 1 － d d d d0 0 0 0 d0
《自动检测技术及应用》第4章 电容式传感器及其应用
4
两平行板组成的平行板电容器，电容传感 器的基本理想公式为：
C A 0r A
dd
请思考：上式中，哪几个参量是变量？可
以做成哪几种类型的电容传感器？
4/14/2020
5
C A 0r A
dd
改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可 使平板电容的电容量C 改变。
固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的 电容传感器。
4/14/2020
8
变面积式电容传感器的特性
变面积式电容传感器的输出特性是线性的， 灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位 移、角位移、尺寸等参量。
你能否画出变面积式电容传感器的输出特性 曲线??
4/14/2020
9
2、变极距（d）式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两
极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。
成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。
请思考：我们已经学习了哪些差动形式？
4/14/2020
18
休息一下
4/14/2020
19
§4.2 电容式传感器的 测量转换电路
4/14/2020
20
被测非电量
电容式 传感器
转换电路
电容变化
电量
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。
4/14/2020
16
4、差动电容传感器
在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减 小非线性，常常把传感器做成差动形式。
变极距式差 动电容器
4/14/2020
旋转形差 动电容器
圆柱形差 动电容器
传感器原理及应用第四章 电容式传感器
11
电容式油量表
电容 传感器
油箱
液 位 传 感 器
12
同轴连接器 刻度盘
伺服电动机
电容式压差传感器
外
结
形
构
应Leabharlann 用1-硅油 2-隔离膜 3-焊接 密封圈 4-测量膜片（动电
测 量 液
极） 5-固定电极
位
13
电容式加速度传感器
结构 1-定极板 2-质量块 3-绝缘体 4-弹簧片
钻地导弹
14
轿车安全气囊
ΔC U0 C0 U
差动脉冲调宽测量转换电路
初始时，C1＝C2，输出电压平均值为零。 测量时， C1≠C2 ，输出电压Uo与电容的
差值成正比。
7
差动脉冲调宽测量转换电路
与电桥电路相比，差动脉宽电路只采用 直流电源，不需要振荡器，只要配一个 低通滤波器就能工作，对矩形波波形质 量要求不高，线性较好，不过对直流电 源的电压稳定度要求较高。
16
指纹识 别手机
汽车防盗 指纹识别
趣味小制作－电容式接近开关
电阻 电容 三极管 二极管 电感 继电器 电极片 电源 开关、导线。
17
制作提示
为了较好地演示制作好的电路，将继电 器触点（虚线所连的触点）所在的控制 电路接上，为了直观，控制对象可选择 灯或喇叭。 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粉状物体。 制作时要考虑环境温度、电场边缘效应 及寄生电容等不利因素的存在。
8
运算放大器式测量转换电路
输出电压
Uo
C Cx
Ui
如果传感器为平板形
电容器，则
Uo
CU i
A
d
此电路能解决变极距型电容式传感器的
电容式传感器
上页 下页
§4.4 电容式传感器的转换电路
一、交流电桥
~ ~ U SC U sr Z 1Z 4 Z 2 Z 3 ( Z 1 Z 2 )( Z 3 Z 4 )
平衡条件为
Z 1Z 4 Z 2 Z 3 0
Z1 Z2
Z3 Z4
上页 下页
交流电桥的平衡条件：
z1 z 4 z 2 z 3
C1
A
0 0
C2
A
0 0
上页
下页
差动结构分析
C1 C0 1 0 0 0
2
C2 C0
1 0 0 0
上页 下页
另一种变介电常数的电容式传感器：
s δ
S
气隙
ε0ε r
d
C
d 0
d
0s d
d
r 0
r
d不变， ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。 ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
上页 下页
§4.3 电容式传感器的特点及等效电路
上页
下页
二、变压器电桥
等效电路图：
I1 Zf C1
图4-13（h）
1 I1 I f Z I2 I f Z 0
上页 下页
j
E1
c1
1
f
E1 E2
j
E2 If I2 C2
c2
f
I1 I 2 I f
求得： I f
( E 1C 1 E 2 C 2 ) j 1 Z f ( C 1 C 2 ) j
§4.4 电容式传感器的转换电路
一、交流电桥
~ ~ U SC U sr Z 1Z 4 Z 2 Z 3 ( Z 1 Z 2 )( Z 3 Z 4 )
平衡条件为
Z 1Z 4 Z 2 Z 3 0
Z1 Z2
Z3 Z4
上页 下页
交流电桥的平衡条件：
z1 z 4 z 2 z 3
C1
A
0 0
C2
A
0 0
上页
下页
差动结构分析
C1 C0 1 0 0 0
2
C2 C0
1 0 0 0
上页 下页
另一种变介电常数的电容式传感器：
s δ
S
气隙
ε0ε r
d
C
d 0
d
0s d
d
r 0
r
d不变， ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。 ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度
上页 下页
§4.3 电容式传感器的特点及等效电路
上页
下页
二、变压器电桥
等效电路图：
I1 Zf C1
图4-13（h）
1 I1 I f Z I2 I f Z 0
上页 下页
j
E1
c1
1
f
E1 E2
j
E2 If I2 C2
c2
f
I1 I 2 I f
求得： I f
( E 1C 1 E 2 C 2 ) j 1 Z f ( C 1 C 2 ) j
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、 工作原理与类型 （一）工作原理
用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效
应时，其电容C为
C S r0 S
S
S—极板相对覆盖面积；
δ
δ—极板间距离；εr—相对介电常数；
ε
ε0 —真空介电常数，ε0 ＝8.85pF/m；
ε —电容极板间介质的介电常数。
（二） 类型
三种基本类型：
r
C0
Cp L
Ce
re
Re
L
Ce
Rg
供电电源频率为谐振频率的1/3~1/2
（二）测量电路
1、电桥电路
将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电 容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是 变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具 有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电 桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥使用 元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。
厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿
度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。
若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图， 传感器的电容量与厚度的关系为
C
ab
( x ) / 0 x /
δx
厚度传感器
推导上式？
C1
C2
C
C3
若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下 图，传感器的电容量与被位移的关系为
变极距(变间隙)(δ)型 变面积型(S)型 变介电常数(εr)型
电容式传感器的三种基本结构形式。 位移：线位移和角位移两种。 极板形状：平板或圆板形和圆柱(圆筒)形
1、变极距型电容传感器
图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被
测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变
lx
l
平
板
形
C1 C2
C4
C
C3
C
blx
b(a lx )
( x ) / 0 x / / 0
a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ； δ:两固定极板间的距离； δx、ε 、ε 0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。
圆筒式液位传感器的电容量与被液位的关系为
当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为
2 l 2 (l l) 2 l
l
C
ln(r2 / r1 )
ln(r2 / r1 )
ln(r2 / r1 ) C0
l
这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。
3、变介电常数型电容传感器
变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的
4
K Cmax Cmin 87.07 pF 41.46 pF 0.19 pF / L
V
235.6L
二、 转换电路 （一） 电容式传感器等效电路
L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感： r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； C0为传感器本身的电容； Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容； Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极 板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取 上应保证足够大。
R
t RRL R RL
电容式传感器
电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电 容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量, 进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容 式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。
优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、 动态响应时间短、易实现非接触测量等。
应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度 和成分含量等测量之中。
2r2 2r1
hx
h
C1 C2
C
C
2 0h
ln(r2 / r1)
2 ( 0 )hx
ln(r2 / r1)
A Khx
A 2 0h
ln(r2 / r1)
K 2 ( 0 )
ln(r2 / r1)
可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。
例:某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个 同心圆柱体组成。储存罐也是圆柱形，直径为50cm， 高为1.2m。被储存液体的εr ＝2.1。计算传感器的最 小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏
2、二极管双T形电路
电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空 比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电
路等效成典型的一阶电路，如图(b)。其中二极管VD1导通、VD2
截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容
C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直
接得到电容C2的电流iC2如下：
VD2
R
VD1 iC1 +
±UE
C1
R
RR
RR
iC2 RL
＋ UE
Ｕｏ
+C1 iC1
RL
iC2
C2
+
C1 +
i’C1 RL
i’C2 C2 +
UE
+ C2
－
(a)
(b)
iC 2
U E
R
RL RL
UE
R RRL R RL
exp
度(pF/L)
解：
Cm in
2 0H
ln r2
2
(8.85 pF / m) 1.2m ln 5
41.46 pF
r2
41.46 pF 1.2 87.07 pF
r1
d 2
(0.5m)2
V H
1.2m 235 .6L
4
特点：①高频交流正弦波供电； ②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳
幅、稳频等措施； ③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡
位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用 自动平衡电桥；
④输出阻抗很高(几MΩ 至几十MΩ )，输出电压低，必须后 接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。
化 ，其电容变化量ΔC为
C
S
S
S
C0
C0—极距为时的初始电容量。 C
1
δ
C0
2
C- 特性曲线
差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。
2、变面积型电容传感器
C 2 l
ln(r2 / r1)
l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r1 、r2 —圆筒内半径和内圆柱外半径。