2019年 传感器技术课件电容式传感器 .ppt

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1、4.4电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息电容元件电容元件实际上是一个具有可变参数的电容器电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、物位、压力、成份分析、介质特性等方面的测量。1学习要点1.掌握电容式传感器的类型（根据工作原理）、特点及其应用；2.了解电容式传感器的测量电路；3.了解电容式传感器的特点；4.了解电容式传感器的应用21.工作原理及类型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：Aδεδ、A或ε发生变

2、化时，都会引起电容的变化。变面积型电容式传感器变极距型变介质型3（1）极距变化型变极距型传感器常常是一块极板固定而使另一块极板移动，从而改变极距以引起电容的变化。++++++因此电容器传感器的灵敏度为：灵敏度与极距的平方值成反比，极距越小时灵敏度越高。为减小非线性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。4为减小非线性误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作以便获得近似的线性关系。一般取极距变化范围为减小δ可以提高灵敏度。但δ过小易导致电容器击穿。可在极间加一层云母片或塑料膜来改善电容器耐压性能。5为提高灵敏度和减小非线性

3、，以及克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等），常采用差动式结构。在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板的距离均为6设可动极板上移，则增大，减小。电容的总变化量为：灵敏度为：可见，采用差动式电容传感器，灵敏度提高一倍，非线性得到改善。变极距型差动电容传感器7（2）面积变化型8A)角位移式电容传感器可见，电容值与角位移呈线性关系。此时，传感器的灵敏度k为：当两极板相对角位移为时，9B)直线位移式电容传感器当两极板相对距离为x时，电容量：传感器的灵敏度为：10C)圆柱体线位移式电容传感器随动板圆柱的位移，定板

4、圆柱与动板圆柱之间的覆盖面积发生变化，从而电容量发生变化。两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：当覆盖长度变化时，通过A）B）C）的分析可得出结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即具有良好的线性，但灵敏度较变极距型低。大多数用来检测较大直线位移及角位移等参数。变面积式电容传感器也采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。11（3）介质变化型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。这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度、液面高度等，也可用来测量介质材料的湿度、介电常数等。A)电容测厚仪C

5、0C1C这种传感器的电容量等于两个电容和相串联12此时为空气相对介电常数，为待测体的相对介电常数，当厚度不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪。如果待测体的介电常数不变时，可作测厚仪使用。13B)电容液面计两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：这类传感器常常采用同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。14设容器中介质是不导电液体（如果是导电液体，则电极需绝缘）总的电容相当于上方气体介质间的电容量和液体介质间电容量之和（相并联）。可见，同轴圆筒电容传感器的电容量与液位成线性关系。C1CC215电容式传感器的电容值一般十

6、分微小，不便于直接显示、记录和传输。因此，必须借助于测量电路检测出这个微小的电容变量，并转换为电压、电流或频率信号。2.电容式传感器的测量电路与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有桥式电路、调频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。16（一） 交流电桥Ui交流放大器相敏检波器低通滤波器Z1Z2Z3Z4电容传感器阻抗17电桥初始平衡条件：当被测参数引起传感器阻抗变化时，代入初始平衡条件，化简：对于电容传感元件来说，有如下关系：18变压器式交流电桥Cr1Cr2USCU变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此

7、目前较多采用。差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移均成线性关系。19（二）调频振荡电路这种电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容传感器的电容调制故称为调频电路。这种电路具有抗干扰性强，灵敏度高等优点；但缺点是电缆电容的影响较大。20（三） 运算放大器电路当运放的输入阻抗很高，增益很大时，认为输入电流，则从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性。该电路

8、要求固定电容必须稳定，信号源电压必须采取稳压措施21（四）脉冲调宽型电路该电路由比较器A1A2，双稳态触发器及电容充放电回路组成。C1、C2为差动电容，双稳态触发器的两个输出端A、B作为差动脉冲宽度调制电路的输出，为宽度受C1、C2调制的方波脉冲。特点：1.不需要附加调制器即能获得直流输出；2.输出信号一般为100k