变面积式差动电容传感器
电容式传感器实验
电容式传感器实验
1 实验目的
了解电容式传感器原理及位移测量的原理；
2 实验仪器
电容传感器实验模块
示波器：DS5062CE
微机电源：WD990型，±12V
万用表：VC9804A型
电源连接电缆
螺旋测微仪
3 实验原理
差动式同轴变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化。
原理图如图1所示。
图1 电容式传感器工作原理
4 实验步骤
实验步骤如下：
（1）用电源电缆连接电源和电容传感器实验模块（插孔在后侧板），其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮（金色）为地，切记勿接错！
（2）观察电容传感器结构：传感器由一个动极与两个定级组成，按图1接好实验线路，增益适当。
（3）打开微机电源，用测微仪带动传感器动极位移至两组定极中间，调整调零电位器，此时模块电路输出为零。
（4）前后位移动极，每次0.5mm，直至动静极完全重合为止，记录数据，作出电压-位移曲线。
5实验结果
6.实验总结
6.1电容式传感器的工作原理将被测量转化为电容量的变化。
传感器图像如下：
圆筒形电容器的电容为:C=2πεx
ln(D
d
)。
输入输出成线性关系，但灵敏度低。
6.2有实验数据可得，呈线性关系，中心位置为12.35mm，与12.5mm 相差的原因如下：
（1）电路存在延迟效应，测量数据有误差，取平均减小误差。
（2）没有机械调零，导致零位存在电压。
（3）测量外界电磁的干扰。
变面积差动电容式传感器的研究
／
Ｔｈ ｉｎ ｉ ｌ ｆｔ ｅ ｓ ｎ ｅｐｒ ｃｐ ｅ ｏ ｈ ｅ ．
ｓ ｒ ｌ ｓｉ ｈａ ｔ ｈ ｅｐ ｏ ｗｏ ｐ ｓ ｉｆｒ ｎ ｅ ｏ ０ＤＥＧ ｆｔ ｅ ｅ ｃｔｔｏ ｉｎ ｌｓ ｕ ｃ ｃ ｎ ｔ ｗｏ ｆ ｅ ｏ ｉ ｎ ｔ ｔｗｉ ｔ ｅ ｈ ｌ ｆｔ ｈａ ｅ ｄ ｆｅｅ ｃ ｆ１ ｅ ｈ ８ ｏ ｈ ｘ ｉａｉｎ ｓｇ ａ ｏ ｒ ｅ ａ ｔｏ ｈｅ ｔ ｘ ｄ ｉ ｅ ｅ ｔｏ ｅ，ｔ ｅ ｐ ｎ ｕｕｍ ’ ｖ ｎ ｈ ｅ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｆｘ ｄ ｍｏ ｉ ｇ ｓ ｅ ｔｆｒ ｌｃ ｒｃ ｆ ｌ Ｗ ｈ ｎ ｐ ｎ ｕ ｕ ｉ ｌｃｒ ｄ ｈ ｅ ｄ ｌ Ｓ ｍｏ ｉ ｇ ｓ ｅ ｔ ｂ ｔ ｅ ｈ ｅ ｖ ｎ ｈ ｅ ｏｍｓ ｅｅ ｔｉ ｅ ｄ． ｉ ｉ ｅ ｅ ｄ ｌ ｍ ｎ ｍｏ ｉ ｒ ｃ ｓ ，ｔ ｅ ａｅ ｏｍｅ ｈ ｈｅ ｔｗｉｈ ｔ ｅ ｔ ｘ ｄ ｓ ｅ ｔ ｌ ｈ ｎ ｅ ａ ｃ ｒ ｉ ｇｙ，ａ ｅ ｕ ｗｈｉｈ ｗｉ ｖｎｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｈ ｒ ａｆ ｒ ｄ ｔ ｅ ｓ ｅ ｔ ｈ ｗｏ ｆ ｅ ｈ ｅｓｗｉ ｃ ａ ｇ ｃ ｏ ｄ ｎ ｌ ｉ ｌ ｓａ ｒ ｓ ｈ， ｃ ｌ ｌ
变 面 积 差 动 电容 式 传 感 器 的研 究
吴 鹏 郭 晓菲 ’ 陈志 高 ， 夏 界 宁 ， 杨 建 ，
４ （ 地震大地测量重点实验室 ） 武汉 ，
＼） ２ 中国地震 局地壳应力研究所武汉科技创新基地 ， 武汉 ４ ０ ７ ３０１
＼ ） ｈ ｎＢ ｓ ｏ Ｉ ｔｕｅ ｆＣｕｔｌ ｙａ ｉ ， Ｅ Ｗ ｈ ｎ ３ ０ １ ２ Ｗｕ ａ ａｅｆ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒｓ ｎ ｍ ｃ Ｃ Ａ， ｕ ａ ４ ０ ７ ｓ ｔ ａＤ ｓ Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐｐ ｒ ｒｓｎｓ ｉｅｅｔ ｌ ａ ａｉ ｎ ｅｓｎｏ ｆ ａ ａｌ ａｅ ｐ ｓ ｒ ｃ ｈｓ ａｅ ｅｅｔ ａｄｆ ｒｎｉ ｐ ｃ ａｃ ｅｓｒ ｒ ｂｅ ｒａｔ ｅ ｐ ｆ ａｃ ｔ ｏ ｖｉ ｙ
电容式传感器习题及解答
第6章电容式传感器一、单项选择题1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。
A. 保持不变B.增大一倍C. 减小一倍D.增大两倍2、差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。
A．C1-C2 B. C1-C2/C1+C2C. C1+C2/C1-C2D. ΔC1/C1+ΔC2/C23、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A．灵敏度K0增加 B．灵敏度K0不变C．非线性误差增加 D．非线性误差减小4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。
A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小C．非线性误差增加 D．非线性误差不变5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。
A．变间隙式 B．变面积式C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式6、电容式传感器通常用来测量（）。
A．交流电流 B．电场强度 C．重量 D．位移7、电容式传感器可以测量（）。
A．压力 B．加速度 C．电场强度 D．交流电压8、电容式传感器等效电路不包括（）。
A. 串联电阻B. 谐振回路C. 并联损耗电阻D. 不等位电阻9、关于差动脉冲宽度调制电路的说法正确的是（）。
A. 适用于变极板距离和变介质型差动电容传感器B. 适用于变极板距离差动电容传感器且为线性特性C. 适用于变极板距离差动电容传感器且为非线性特性D. 适用于变面积型差动电容传感器且为线性特性10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）A．调频测量电路 B．运算放大器电路C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路11、在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关A．仅电源电压的幅值和频率B．电源电压幅值、频率及T型网络电容C1和C2大小C．仅T型网络电容C1和C2大小D．电源电压幅值和频率及T型网络电容C1大小12、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍A．1 B．2 C．3 D．0二、多项选择题1、极距变化型电容式传感器，其灵敏度与极距（）。
电容式传感器
因此其固有频率很高，适用于动态信号的测量。 ④机械损失小。电容式传感器电极间相互吸引力十分微小，
又无摩擦存在，其自然热效应甚微，从而保证传感器具有较 高的精度。
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第三节 电气火灾消防知识
(3)接触不良引起过热如接头连接不牢或不紧密、动触点压 力过小等使接触电阻过大，在接触部位发生过热而引起火灾。
(4)通风散热不良大功率设备缺少通风散热设施或通风散热 设施损坏造成过热而引发火灾。
(5)电器使用不当如电炉、电熨斗、电烙铁等未按要求使用， 或用后忘记断开电源，引起过热而导致火灾。
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第一节 安全用电知识
正确使用绝缘操作用具，应注意以下两点:
(1)绝缘操作用具本身必须具备合格的绝缘性能和机械强度。
(2)只能在和其绝缘性能相适应的电气设备上使用。
2.绝缘防护用具
绝缘防护用具则对可能发生的有关电气伤害起到防护作用。 主要用于对泄漏电流、接触电压、跨步电压和其他接近电气 设备存在的危险等进行防护。常用的绝缘防护用具有绝缘手 套、绝缘靴、绝缘隔板、绝缘垫、绝缘站台等，如图7-3所示。 当绝缘防护用具的绝缘强度足以承受设备的运行电压时，才 可以用来直接接触运行的电气设备，一般不直接触及带电设 备。使用绝缘防护用具时，必须做到使用合格的绝缘用具， 并掌握正确的使用方法。
3.变介电常数式电容传感器 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间
插入不同介质时，电容器的电容量也就不同，利用这种原理 制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器，它们常用 来检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测 量液体的液位等。
电容式传感器习题及解答
第6章电容式传感器一、单项选择题1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。
A. 保持不变B.增大一倍C. 减小一倍D.增大两倍2、差动电容传感器采用脉冲调宽电路作测量电路时，其输出电压正比于（）。
A．C1-C2 B. C1-C2/C1+C2C. C1+C2/C1-C2D. ΔC1/C1+ΔC2/C23、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A．灵敏度K0增加 B．灵敏度K0不变C．非线性误差增加 D．非线性误差减小4、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。
A．灵敏度会增加 B．灵敏度会减小C．非线性误差增加 D．非线性误差不变5、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。
A．变间隙式 B．变面积式C．变介电常数式 D．空气介质变间隙式6、电容式传感器通常用来测量（）。
A．交流电流 B．电场强度 C．重量 D．位移7、电容式传感器可以测量（）。
A．压力 B．加速度 C．电场强度 D．交流电压8、电容式传感器等效电路不包括（）。
A. 串联电阻B. 谐振回路C. 并联损耗电阻D. 不等位电阻9、关于差动脉冲宽度调制电路的说法正确的是（）。
A. 适用于变极板距离和变介质型差动电容传感器B. 适用于变极板距离差动电容传感器且为线性特性C. 适用于变极板距离差动电容传感器且为非线性特性D. 适用于变面积型差动电容传感器且为线性特性10、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）A．调频测量电路 B．运算放大器电路C．脉冲宽度调制电路 D．相敏检波电路11、在二极管双T型交流电桥中输出的电压U的大小与（）相关A．仅电源电压的幅值和频率B．电源电压幅值、频率及T型网络电容C1和C2大小C．仅T型网络电容C1和C2大小D．电源电压幅值和频率及T型网络电容C1大小12、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍A．1 B．2 C．3 D．0二、多项选择题1、极距变化型电容式传感器，其灵敏度与极距（）。
差动变面积式电容传感器的静态及动态特性
差动变面积式电容传感器的静态及动态特性【实验目的】了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性【实验仪器】电容式传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、JK-19型直流恒压电源、JK-20型频率振荡器、九孔实验板接口平台、万用表、示波器【实验原理】由C = S0/d得，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类，本仪器中差动变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，称为差动电容。
如将上层定片与动片形成的电容定为C l，下层定片与动片形成的电容定为C2，当将C l和C2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。
【实验步骤】旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，万用表置于2 V档。
1．将电容式动片固定在振动盘上，调整好动片与静片的位置，不能相互接触。
2．按图22-1接线。
把电容的增益拧至合适位置，万用表20 V档。
调节测微头，使输出为零，并读出其刻度值。
3．转动测微头，每次0.3 mm，记下此时测微头的读数及万用表的读数，直至电容动片与上（或下）静片覆盖面积最大为止。
X()mmU(mV)退回测微头至初始位置，并开始以相反方向旋动，同上法，记下)(mVUmm(X及)值。
4．计算系统灵敏度S。
X=（式中U∆为电压变化，X∆U/S∆∆为相应的两端位移变化），并作出XU关系曲线。
~5．卸下测微头，断开万用表，接通激振器，用示波器观察输出波形。
改变激振频率，测量3种波形的电压、频率和周期。
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
变面积式差动电容传感器[优质ppt]
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Us 2
C1 C1
C2 C2
应用于变极距差动式电容传感器
Uo
Us 2
d d0
3.2.4 接口电路
图 3-2-7 两种交流电桥 （a）电阻平衡臂交流电桥 （b）变压器电桥
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3.2.4 接口电路
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3、二极管环形电桥
流经电流表 M 的瞬时电流的平均值为I f (U2 U1)(Cx C0)
A
d
(R2 r2) 0 d 2
(R2 2d
r
2
)
0
转动 后
c1
(R2 2d
r
2
)
(0
)
c0
(1
0
)
c2 c0 (1 0 )
所以
② 柱面形结构 图3-2-3(b) 公式同上
c1 c2 c1 c2 0
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Rr
Rr
x > 0 时，ln x 展成 n 级数，取第一项，ln x 2 x 1 ，令 x R ，
所以 1 R r r
x 1
r
ln(R / r) 2(R r) R r
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3.2.2 输入-输出特性
1、变极距型
图3-2-1 变极距型电容传感器
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3.2.2 输入-输出特性
波基波频率
f0 为
f0
T1
1 T2
1
2R0C0ln
U
U
OH
OH
U
R
Q端与 Q 端间的差模电压经低通滤波后，输出电压为
Uo
U AB
UOH
T1 T1
T2 T2
取
R1 =
R2 ，将
T1、T2式代入上式得
Uo
U AB
UOH
C1 C2 C1 C2
将 C1 C2 d2 d1 d C1 C2 d2 d1 d0
式代入上式得U o
UOH
d d0
3.2.4 接口电路
(3) 低通滤波器截止频率 fh 的选择 为了使输出电压 Uo 为方波电压 UAB 的平均值，必须滤去
方波基波及其谐波只保留其直流分量，为此，要求 fh < f0 。在
f被Uh o<测量fU0 的O为H 情振dd况0动m 下s位in，移2UofxdtU。AB 显Ud然OmHs，CCi11n低2CC通22 f、滤xtU波。o 器代U应入OH 允Ud许od0 频式U率O成H 为立 d。d0fx 设得的
ln UOH UOH UR
RC ln UOH UOH UR
3.2.4 接口电路
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(2) 差动电容脉冲调宽电路的工作过程
图 3-2-9 中，C1 和 C2 为差动电容传感器的两个电容。双 稳态触发器两端分别输出高电平 UOH 和低电平 0 。当 Q 端从 0 跳变到 UOH 端，Q 从 UOH 跳变到 0 时，C2 通过 D2 迅速放电 到0 ，UOH 通过 R1 对 C1 充电。在 C1 充电达到 UR 时，比较器 发生跳变，使触发器翻转。于是 C2 开始通过 R2 充电，而 C1 则通过 D1 放电，重复上面的同一过程。这样 Q 端和 Q 端就 形成了宽度分别为 T1 和 T2 的方波：
T1
R1C1
ln
U OH UOH U R
T2
R2C2
ln
UOH UOH UR
3.2.4 接口电路
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图 3-2-9 差动脉冲调宽电路
图3-2-10 脉冲宽度波形
3.2.4 接口电路
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图 3-2-10 为几个主要点的波形图。由图可见在 Q 端和 Q
端的输出，是幅值为 UOH 而宽度分别为 T1 和 T2 的方波，方
.
U0
－U.
.
U
i(
.
o U
C x) C0
i
1
d d0
(3)
应用于变面积式和变介质式电容传感器
.
Uo
恒电压激励差动电路3-2-6 (c)
.
Uo
.
Ui
C2
C1
.
U i
1
l l0
应用于变面积差动式电容传感器
C0 Uo 2Ui 0
标定
3.2.4 接口电路
1、比例运算电路
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1
图 4-2-6 比例运算法测量电路 （a）恒电流激励电路（b）恒电压激励电路（c）恒电压激励差动电路
3.2.4 接口电路
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(1) 恒电流激励电路3-2-6 (a)
.
Uo
.
U i
C0
Cx
(2)
应用于单一变极距式电容传感器
恒电压激励电路3-2-6 (b)
2、引线电感的影响
等效电容 1 jL 1
jCe
jC
两边同乘jC 所以 C 1 2LC
Ce
Ce
C
1 2 LC
实际相对变量为
Ce C 1
Ce C 1 2LC
结论：1、激励频率
1
f f0 2 LC
通常
f
(1 2
~
1) 3
f0
2、每当改变激励频率或更换连接电缆时须重新进行
模块三 传感器原理及检测实训
变面积式差动电容传感器
浙江经济职业技术学院 徐文
3.2 电容式传感器
电感式传感器是以电容器作为传感元件，将 被测量的变化转换为电容量的变化的一种传感器。
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3.2 电容式传感器
分类:
电容式传感器
参数分类
位移分类
组成分类
极板形状分类
变极距型 变面积型 变介电常数型
角位移式 线位移式 单一式 差动式
( 0
)
同理 故
lb 2d
( 0
)(1
2l l
0 0
)
c0 (1
2l l
0 0
)
c2
c0 (1
2l l
0 0
)
c1 c2 0 2l 1 r 2l c1 c2 0 l 1 r l
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3.2 电容式传感器
3.2.1 基本原理与结构类型 3.2.2 输入-输出特性 3.2.3 等效电路分析 3.2.4 接口电路 3.2.5 变面积式差动圆柱型电容传感器实训
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3.2.1 基本原理与结构类型
典型的电容式传感器中的电容通常做成平行平面形或平 行曲面形。以平板电容器为例（原理图如下），若忽略其边 缘效应，其电容量C为：
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3.2.3 等效电路分析
1、等效电路 RP — — 并联损耗电阻 Rs — — 串联电阻 L — — 引线电感
图 3-2-5 电容传感器的等效电路
RP 代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗； Rs 代表引线电阻 L 是电容器本身的电感和外部引线电感
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3.2.3 等效电路分析
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3.2.4 接口电路
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2、交流电桥
(1) 电阻平衡臂电桥 图3-2-7 (a)
(2) 变压器电桥
图3-2-7 (b)
开路（ZL→∞时）输出电压都为
U s U s Z 2 Z1
Z1 Z2 2 2 Z1 Z2
Z1 和
Z2 若为两个电容传感器，则 Uo
(1) 单一式图3-2-1(a)
初始时 c0 A / d0
动极板上移 d
(2) 差动式图3-2-1(b)
c
A
d0 d
A
d0
(1
d d0
)
c0 1 d
d0
c1
c0
/(1
d d0
)
c2
c0
/(1
d d0
)
c1 c2 d2 d1 d c1 c2 d2 d1 d0
放映结束！ 敬请各位的批评指导！
平行平面电容 ① 单层介质 ② 多层介质
C A
A ——极板覆盖面积
d C
A
d1 d2 d3
1 2 3
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3.2.1 基本原理与结构类型
平行曲面形（同轴圆筒形）电容
C 2 L
ln(R / r)
L —— 覆盖长度
当 (R r) r 时，C L(R r) 2 Lr
C
l
2
0 r (l 0l)
ln(R r )
C0 (1 l0 )
筒状线位移变面积型
C l C0 l0
3.2.2 输入-输出特性
(2) 角位移式（差动结构）
图3-2-3 变面积型差动式结构
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3.2.2 输入-输出特性
① 扇形结构
初始时
c1
c2
c0
图3-2-8 二极管环形电桥
3.2.4 接口电路
4、差动脉冲调宽电路 (1) RC 电路的微分方程
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当 ui 从 0 跳变到高电平 UOH 后，uo (0) 0, uo () UOH ，
代入上式得uo (t) UOH (1 et / )