同济大学苏永清_传感器与检测技术第3章电容式传感器-B测量电路解读
第3章电容式传感器
由图3Z C 7 可( 得R 到S 等1 效 阻R 2 抗R PZ2 C C，2) 即j(1 R 2 P R 2 C 2 C 2L )
P
P
式中2f为激励电源角频率
由于传感器并联电阻RP很大，上式经简化后得等效电容为
等效电容
CE1 C 2LC 1(C f/f)2
式中 f
1
0
为电路谐振. 频率
例如在图3-10(b)中a=1,=0。根据图3-9曲线知:k=0.25, =0， 因此输出电压USC=0.25E；图(c)中当
R 1 时,a1,900 根据图3-9曲线得到k=0.5, =0 jC
USC=0.5E；图3-10(c)和(d)线路形式相同，但是由于(d)图
中采用了差动式电容传感器，故输出电压USC=E ，比图 （c)的输出电压提高了一倍。
对于变极距型， 其静态灵敏度
KCC 0( 1 ) d d 1d/d
因△d/d <<1，上式可按 台劳级数展开而得
KC0[1d(d)2 ] d dd
KC0[1d(d)2 ] d dd
由上式可知，灵敏度与起始极间距d有关，而且不是常数， 是随被测量变化而改变。要提高灵敏度，应减小d,但δ过 小容易引起电容器击穿(空气的击穿电压3kV/mm)。
注意:１．上述各种电桥输出电压是在假设负载阻抗无限 大(即输出端开路)时得到的，
实际上由于负载阻抗的存在而使输出电压偏小。
２.电桥输出为交流信号，不能判断输入传感器信号的极 性，只有将电桥输出信号经交流放大后，再用相敏检波电 路和低通滤波器，才能得到反映输入信号极性的输出信号。
(四)运算法测量电路 它由传感器电容CX和固定电容 C。、以及运算放大器A组成。
④采用“驱动电缆”技 术(也称“双层屏蔽等位 传输”技术)。 见教材P60
电容传感器测量电路
第一部分引言本设计是应用于电容传感器微小电容的测量电路。
传感器是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
传感器在发展经济、推动社会进步方面有着重要作用。
电容式传感器是将被测量转换成电容量变化的一种装置，可分为三种类型：变极距（间隙）型、变面积型和变介电常数型。
二、电容式传感器的性能和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、分辨力高、工作可靠、可非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中[1]。
电容式传感器也存在不足之处，比如输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大等。
上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。
但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服。
电容式传感器成为一种大有发展前途的传感器[2]。
第二部分正文一、电容式传感器测量电路由于体积或测量环境的制约，电容式传感器的电容量一般都较小，须借助于测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成与其成正比的电压、电流或者电频率[3],[4]。
电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。
电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能。
由于电容传感器的电容变化量往往很小，电缆杂散电容的影响非常明显，系统中总的杂散电容远大于系统的电容变化值[5]。
与被测物理量无关的几何尺寸变化和温度、湿度等环境噪声引起的传感器电容平均值和寄生电容也不可避免的变化，使电容式传感器调理电路设计相当复杂[6]。
分立元件过多也将影响电容的测量精度[3]。
微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。
测量仪器应该有飞法（fF）数量级的分辨率[6]。
二、常用电容式传感器测量电路1、调频电路这种电路的优点在于：频率输出易得到数字量输出，不需A/D转换；灵敏度较高；输出信号大，可获得伏特级的直流信号，便于实现计算机连接；抗干扰能力强，可实现远距离测量[7]。
电容式传感器
电容的相对变化量为
2 4 d d C d 1 2 C0 d0 d0 d0
略去高次项,近似成线性关系
C 差动电容式传感器的灵敏系数为 K d 2 d 0 C0
结论：灵敏度提高一倍
第3章 电容式传感器
3.1 电容式传感器 3.2 电容式传感器的输出电路及等效电路
3.3 影响电容传感器精度的因素及提高精 度的措施 3.4 电容式传感器的应用
1
基本要求
1. 掌握电容式传感器基本工作原理、类型、线 性、灵敏度
2.理解电容式传感器的输出电路及等效电路
3.了解影响电容传感器精度的因素及提高精度 的措施 4.掌握电容式传感器的典型应用
C C C
灵敏度为
KC
C / C 0 1 a a
灵敏度系数KC为常数，可见减小极板宽度a可提高灵敏度，而极板的起 始覆盖长度b与灵敏度系数KC无关。但b不能太小，必须保证b＞＞d(极距)， 否则边缘处不均匀电场的影响将增大。 平板式极板作线位移最大不足之处是对移动极板的平行度要求高，稍 有倾斜会导致极距d变化，影响测量精度。 因此在一般的情况下，变面积式的电容传感器常作成圆柱式的。
2l l C C ln(r2 / r1 ) l
C C 1 灵敏度 K ——常数 l l
若采用差动结构，动极向上移动Δl，则上面部分的 电容量Ca增加，下面部分的电容量Cb减少，使输出为差 动形式，有
2 (l l ) 2 (l l ) l C Ca Cb 2C ln(r2 / r1 ) ln(r2 / r1 ) l
13
C 2 d C0 d0
2 4 C d d C d 2 d 1 2 C0 d0 d0 d0 d0 C0
《传感器技术》教学课件第3章
14
2 、变面积型电容式传感器
图3-5是变面积型电 容传感器原理结构 示意图。 被测量通
b
a d
x S
过动极板移动引起
两极板有效覆盖面
a）平行板
b）扇形
c）圆筒形
1——定极板
2——动极板
图 3-6 变面积型电容传感器结构图 17
电容b
d
x
(3-8)
平行板电容传感器的灵敏度为
S C b
(3-9)
x d
可见，平板形电容传感器的输出特性是线性的，适合测
量较大的位移，其灵敏度 为常数。增大极板长度 或减小间
距 ，均可使灵敏度提高。极板宽度 的大小不影响灵敏度，
由运算放大器的原理可得：
U0
1 ( jwC x ) U 1 ( jwC )
C Cx
U
（3-18）
S
对于平板电容器，Cx d ，代入（3-18）后可得：
U0
UC
S
d
（3-19）
由式（3-19）可见，输出电压与d是线性关系，负 号表明输出与电源电压反相。这从原理上克服了变极 距型电容式传感器的非线性。但是仍然存在一定的非 线性误差。另外，为保证仪器精度，还要求电源电压U 的幅值和固定电容C值稳定。
24
变介电常数型电容传感器图3-8 如下所示：
a）
b）
例： 极板
带条
c）
滚轮
电容传感器测量
绝缘带条的厚度
25
若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传
传感器与检测技术基础电容式传感器ppt课件
C0 C0
x l
1 1 2
d1 1
（3 18）
d2 2
该式表明：电容量C与位移x成线性关系。
圆筒式液位传感器
2r2
2r1
C1
C2
C
hx
h
图3-8 液位传感器的等效电路 (c) 液位传感器
C
2 0 h
lnr2 / r1
2 0 hx lnr2 / r1
A Khx
（3 19）
其中
K
2 lnr2
T1、T2 —分别为C1和C2的充电时间；
U1—触发器输出的高电位。
C1、C2的充电时间T1、T2为：
T1
R1C1
ln U1 U1 Ur
T2
R2C2
ln U1 U1 Ur
V
235.6L
图5-5 变面积型电容传感器原理图
3.2 电容式传感器的测量电路
3.2.1 电容传感器的等效电路
R
L
RP
C
C
（a）
（b）
图3-9 电容传感器等效电路
3.2.2 电容传感器的测量电路 1. 电桥电路
Cr1
C
USC
R
R
U （a）
Cr1 Cr2
R USC
R
U （b）
图3-10 电容传感器构成的交流电桥
2 0 hx lnr2 / r1
A Khx
所以
Cmin
2 0h
ln r2
2
( 8.85pF / m )1.2m ln 40
41.46 pF
r1
8
同理，当被测液位高度最大，即hx= h =1.2m时传感器的电容量最大。
C max
第三章电容式传感器
第3章 电容式传感器
2、增加原始电容值，以降低容抗，减小被干扰 电容淹没的危险。
（3）平面扇形变面积角位移结构
静态时：
C 1C 2C 02 dR2r20
动态时：
C1
2d
R2 r2
0 C010
C2
2d
R2 r2
0 C010
第3章 电容式传感器
2、变极距型差动电容传感器
动片
两极板对应的面积为A。
d0
d0
C1
C2
位移d
定
静态时：
片
d0， C1C2C0dA 0
动态时：
部引线电感组成。
第3章 电容式传感器
由等效电路可知， 它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。 当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正 常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传 感器不能正常工作。
传感元件的有效电容Ce可由下式求得(为了计算方便，忽略
Rs和Rp): 1 jL 1
h 1 ：初始时绝缘材料的厚度
d 0 h 2 ：初始时固定极板的厚度
L
h1
d
：初始时空气隙的厚度
0
h 2 L：初始时两极板的总间隙
第3章 电容式传感器
设初始温度为 t 0 时，电容传感器工作极片与固定极片间隙及初
始电容为：
C0
0A
d0
h1
r
d0Lh1h2
第3章 电容式传感器 传感器技术及应用 课件_659
动个后电，容量C1和则C相2成应差减动小变，化这，样即可其以中消一除个外电界容因量素增所大造，成而的另测一量
误差。
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3.1 电容式传感器的工作原理
3.1.3 变介电常数式电容传感器
当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而 引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种， 图3-7所示为一种介质面积变化的电容式传感器。这种传感器 可用来测量物位或液位，也可测量位移。
3.2 电容式传感器的测量电路
由图3-12看出，当C1=C2时，两个电容充电时间常数相等，两 个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。当C1≠C2时，两 个电容的充电时间常数发生变化，输出电压的平均值不等于
零。输出电压UAB经低通滤波后，可得到一个由被测量变化
决定的直流输出Uo。 根据电路知识可知
41.46pF2.187.07(pF)
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3.1 电容式传感器的工作原理
储存罐的体积为
Vπd2hπ0.521.20.236(m 3)
4
4
故传感器的灵敏度为
K C m a x C m in 8 7 .0 7 4 1 .4 6 0 .1 9 (p F /c m 3 )
V
2 3 6
输出电压较高。 电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。 可以用作动态测量。 2. 差动脉冲调制电路 该电发直稳电容器至态路，的触F点的发AA的1端原器、电为理 翻A位高2如 转是等电图 ，两于位3A个-参，端1比1考B变所较端电为示器为压低，，低U电CUr电1时位、r为位，，C其，2比B为参则端较差考A变A动点电1为输式通压高出传过。电脉感R设位冲1器双对。，的稳C此使两1态充时双个触电F ，
电容式传感器原理介绍_图文.
第三章电容式传感器§3.1 电容式传感器工作原理和结构 §3.2 电容式传感器等效电路§3.3 电容式传感器测量电路§3.4 电容式传感器应用2§3.1 电容式传感器工作原理和结构一、基本工作原理电容式传感器的三种类型:变极距型、变面积型和变介电常数型。
(l 4考虑了电容器的损耗和电感效应, 电容式传感器的等效电路。
一、电容式传感器等效电路§3.2 电容式传感器等效电路根据等效电路,电容式传感器有一个谐振频率,通常为几十兆赫。
当工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏传感器正常作用。
因此,工作频率应该选择低于谐振频率。
并联损耗电阻 R p :表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。
并联损耗低频时影响大,随着工作频率增高,容抗减小,影响就减弱。
串联损耗电阻 R s :引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。
电感 L :电容器的电感和外部引线电感。
17二极管双 T 形交流电桥电路中, e 为高频电源,提供了幅值为 U 的对称方波, V D1、 V D2为特性完全相同的两只二极管, R 1、 R 2为阻值相等的两个固定电阻, C1、 C 2为传感器的两个差动电容。
三、二极管双T形交流电桥§3.3 电容式传感器测量电路(1传感器没有输入 C 1=C2当 e 为正半周时,二极管 V D1导通、 V D2截止,则电容 C1被以极短的时间充电至 U 。
在前负半周时,电容 C 2已经充电至电压 U 。
1、电路基本结构2、基本工作原理22二极管双 T 形交流电桥电路中, e 为高频电源,提供了幅值为 U 的对称方波, V D1、 V D2为特性完全相同的两只二极管, R 1、 R 2为阻值相等的两个固定电阻, C1、 C 2为传感器的两个差动电容。
三、二极管双T形交流电桥§3.3 电容式传感器测量电路(1传感器没有输入 C 1=C2当 e 为正半周时,二极管 V D1导通、 V D2截止,则电容 C1被以极短的时间充电至 U 。
电容式传感器的测量电路调频电路
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附：电容式接近开关
1—检测极板 2—充填树脂 3—测量转换电路 4—塑料外壳 5—灵敏度调节电位器 6—工作指示灯 7—信号电缆
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工作过程（1）
❖ 检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路 安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树 脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板 与大地间的电容量C非常小，它与电感L构成高品质 因数（Q）的LC振荡电路，Q=1（ωCR）。当被检 测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电 容的人体、液体等）时，检测极板对地电容C增大， LC振荡电路的Q值将下降，导致振荡器停振。
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电容式接近开关
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放松一下！
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❖ 常用电路有:电桥电路、运算放大器测量 电路、脉冲调制电路、调频电路。
❖ 1.电桥电路
当电容传感器处于初始位
置时，电桥平衡，电桥输出电
压 • ；当被测量的变
U0 0
化引起电容传感器的电容发生
变化时，电桥失去平衡，电桥
有电压输出，即 •
。
U0 0
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14
4.2电容式传感器的测量电路
谐振电路的灵敏度较高，但工作点不易选择，变化范围较窄。
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4.2电容式传感器的测量电路
❖ 6.脉冲宽度调制电路
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4.3 电容式传感器的误差及制作要求
❖ 4.3.1 电容式传感器的误差因素
❖ 1.温度的影响 ❖ 3.寄生电容的影响 ❖ 2.漏电阻的影响