CH3电容式传感器2009.

实际应用中，常常采用差动型电容式传感器。 作用：改善非线性，提高灵敏度，减少外界因素影响。
C (
S
d d d d d d S d d S 2d d 2 d d d d d d d d 2 2 S d d2
d d C S C0 d d d d (d d ) d d
S
S
可见ΔC与Δd 并不是纯粹线性关系。
d 当Δd<<d 时， C C0 ， d C S 灵敏度 K s 2 d d
可见在d越小时灵敏度越高。在测量微小量变化时，可以近 似认为 C d
Ci Uo Ui d S 输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。
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Ui
Uo
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3.4.4 二极管双T形交流电桥

二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相 同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器 的两个差动电容。
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变极距电容式传感器
在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以很 大，从而使传感器灵敏度提高。 但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板 间可部分采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等） 作介质, 如下图所示，此时电容C变为
0
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d0 dg
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3.2.3 变介质型电容式传感器
C
0A
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3.2.3 变介质型电容式传感器
D d


H h
1
如图是一种变极板间介质的电容 式传感器用于测量液位高低的结 构原理图。设被测介质的介电常 数为ε1，液面高度为h, 变换器总 高度为H，内筒外径为d，外筒内 径为D，此时变换器电容值为
振荡电路
被测电容
3·3 电容式传感器的特点及等效电路
3·3·1 特点： 优点： 1、温度稳定性好。 2、结构简单，适应性强。 3、动态响应性好。 4、可以实现非接触测量。 5、可以实现微压、微力、微小位移、加速度等的测量。 缺点： 1、输出阻抗高，负载能力差。 2、寄生电容影响大。 3、输出特性非线性。
21h 2 ( H h) 2 H 2 h(1 ) 2 h(1 ) C C0 D D D D D 1n 1n 1n 1n 1n d d d d d 2H C0 式中：ε——空气介电常数； D C0——变换器初始电容值, 即 1n d
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
C
S
d

+ + +
S
式中: ε——电容极板间介质的介电常数， ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数， εr极板间介质的相对介电常数； S——两平行板所覆盖的面积； d——两平行板之间的距离。
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d
3
3·1 电容式传感器的工作原理及类型
当被测参数变化使得式（4-1）中的S、 d或ε发生变化时， 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而 仅改变其中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容 量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。 因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介 电常数型三种。其中变极距型和变面积型应用较广。

S
)(
S

S
)
C S Ks 2 2 d d
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3·2·2 变面积型
C
( S S )
d

S
d

S
d
可见：C与S满足线性关系。 C 灵敏度为：K s S d 直线位移测量 b C d C C b Ks d
g
9
C
S dg
0 g

0
d0
式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7； ε0——空气的介电常数，ε0=1； d0——空气隙厚度； dg——云母片的厚度。
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电介质材料的相对介电常数
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云母片的相对介电常数是空气的 7 倍，其击穿电压不小
于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，
极板间起始距离可大大减小。同时， dg/ε0εg 项是恒定值， 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极距电容式传感器的起始电容在 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。
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差动型电容式传感器
被测量的变化 电容式传感器 电容量的变化 被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、 流量及成份分析等, 精度可达 0.01%，250mm量程可达5um。 电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种 传感器，是很有发展前途的。
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3.1 电容式传感器的工作原理和结构
极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。
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3.4.1 调频测量电路
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的 一部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡 频率就发生变化。 将频率作为测量系统的输出量, 可以用来判断被测非 电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加 入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大处 理后输入显示或记录等仪器。
+ + + +
+
+
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(a )
(b )
(c)
(d)
2
(e)
1
(f)
(g )
(h )
(i)
(j)
( k)
(l)
图4-1 电容式传感元件的各种结构形式
图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型， 图(a)和(e)为变极距型，
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图(i)～(l)则为变介电常数型。
电容式传感器应用
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电容式接近开关 被测物体 感应电极
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 缘的液体或粉状物体。
第三章

电容式传感器
学习要求：
1、掌握变极距、变面积、变介质电容式传 感器的工作原理，特点及应用。 2、熟悉常用电容式传感器的常用检测电路 及特点。 3、学习应用电容式传感器。
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电容式传感器
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转 换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或/和被测 物）就是一个可变电容器。
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U2 C2
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②谐振法
振 荡 器
L
Cx
整流 放大
M
L,Cx构成振荡电路。
V
0
f
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3·4·3 运算放大器式测量电路
变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非 线性关系，使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采 用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转 换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化 型电容式传感器的输入电路，采用固定电容Ci，Ui为稳定 的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比 例器的运算关系为 Ci Cx Uo Ui Ci Cx Cx S / d




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3.4 电容式传感器检测转换电路

电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小,
这样微小的电容量很难直接为目前的显示仪表所显
示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。必须借助 于测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成
与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。

电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二
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1 LC C p
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C Cp
等效电路
C 若Cp 很小，则 Ce 2 1 LC
对C 求导：
dCe 1 , 2 2 dC (1 LC ) 1 Ce C 2 2 1 LC

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
等效电容灵敏度受 f 影响， ：
Ce ks C ke 2 2 2 d 1 LC d 1 LC
Cx
L
振荡器
Δf Δu 限幅放大器 Δf
鉴频器
Δu
调频式测量电路原理框图
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3·4·1 调频测量电路
调频振荡器的振荡频率为：
f
1 2 LC
当被测信号为0时，ΔC 为零。当被测信号不为0时， C产生变化ΔC，相应引起Δf 的变化为
f
C
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1 4 L
L
C C1 C2 0b0
r1 ( L0 L) r 2 L
d0 d0 C0
0b0 r1L0
d0

0b0 ( r 2 r1 ) L
0b0 ( r 2 r1 )
d0
L
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电容量的变化与电介质 εr2的移动量L成线性关系。 2018/9/14