第4章 电容式传感器C

1、传感器与检测技术第4章电容式传感器传感器与检测技术第4章电容式传感器本章内容本章内容 4.1 4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 4.2 4.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 4.3 4.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 传感器与检测技术第4章电容式传感器学习目标学习目标 理解变极距型、变面积型和变介电常数型电容传理解变极距型、变面积型和变介电常数型电容传感器的工作原理。感器的工作原理。 能正确分析电容式传感器的典型测量电路。能正确分析电容式传感器的典型测量电路。 掌握差分电容式传感器的工作原理及优点。掌握差分电容式传感器的工作原理及优点。

2、 掌握电容传感器的基本使用方法和典型应用。掌握电容传感器的基本使用方法和典型应用。 传感器与检测技术第4章电容式传感器第4章 电容式传感器电容式传感器的本质：它是将被测量电容式传感器的本质：它是将被测量(如压力、尺寸等如压力、尺寸等)的的变化转换成电容量变化的一种传感器，其本身就是一个可变变化转换成电容量变化的一种传感器，其本身就是一个可变电容器。电容器。实际应用：测量压力、差压、绝对压力、高压差、微差实际应用：测量压力、差压、绝对压力、高压差、微差压和高静压等。压和高静压等。特点：结构简单，非接触测量、灵敏度高，动态响应好，特点：结构简单，非接触测量、灵敏度高，动态响应好，可在恶劣环境下工作

3、。可在恶劣环境下工作。4.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，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，其电容量为如果不考虑边缘效应，其电容量为0rAACdd 传感器与检测技术第4章电容式传感器 式中：式中： 电容极板间介质的介电常数，电容极板间介质的介电常数， = = 0 0 r r ，其中其中 0 0为真空介电常数，为真空介电常数， r r极板间介质的相对介电常数；极板间介质的相对介电常数； A A两平行板正对面积；两平行板正对面积； d d两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。 如果保持其

4、中两个参数不变，而仅改变其中一个参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，通过测量电路就可以转换为电量输出。量电路就可以转换为电量输出。因此，电容式传感器可因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型分为变极距型、变面积型和变介电常数型3 3种。种。 0rAACdd 传感器与检测技术第4章电容式传感器 图4-1 电容式传感元件的各种结构形式传感器与检测技术第4章电容式传感器4.1.1 4.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 1.变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器 (1)初始

5、电容量初始电容量 当传感器的当传感器的 r r=1=1且且A A为常数，为常数，初始极距为初始极距为d d0 0时，其初始电容量时，其初始电容量C C0 0为为 传感器的输出特性不是线传感器的输出特性不是线性关系，而是曲线关系。性关系，而是曲线关系。图4-3 电容量与极板间距的关系000dAC ddAC 00(2)d减小时的电容量减小时的电容量(3)d减小时电容量的增量减小时电容量的增量 若电容器极板间距离由初始值若电容器极板间距离由初始值d d0 0缩小了缩小了d d，电容，电容量增大了量增大了C C，则有，则有传感器与检测技术第4章电容式传感器)()(000000000000000dddA

6、ddddAdAdAddAddACCC (4)d减小时电容量的相对变化量减小时电容量的相对变化量)/11()(1)(00000000000000dddddddAddddAddAdddAdCC 近似近似(线性化线性化)处理：处理：00ddCC 传感器与检测技术第4章电容式传感器(5)变极距型电容式传感器的灵敏度变极距型电容式传感器的灵敏度 000011/dddddCCK 可见，灵敏度可见，灵敏度K0与初始间隙成反比关系。与初始间隙成反比关系。 欲提高欲提高K0 ,应减小极板间距离应减小极板间距离,但存在电容器击穿的问题。但存在电容器击穿的问题。(6) 电容量相对变化量的幂级数展开式电容量相对变化量

7、的幂级数展开式302000000111dddddddd)d/d(ddCC， 则则 32111xxxx：应应用用幂幂级级数数展展开开式式(7) 传感器的非线性误差传感器的非线性误差%100)1(00000 ddddddddddL 可见，欲减小非线性误差，需增大初始极板间距离可见，欲减小非线性误差，需增大初始极板间距离d0。结论结论:提高该传感器的灵敏度与减小非线性误差是相互矛盾的。提高该传感器的灵敏度与减小非线性误差是相互矛盾的。传感器与检测技术第4章电容式传感器(8)(8)差分变极距型电容式传感器差分变极距型电容式传感器设；动极板上移，设；动极板上移，d d1 1=d=d0 0- -d d，C

8、 C1 1增加；增加；d d2 2=d=d0 0+ +d d，C C2 2减小。减小。1)/11(1)/11(30200000023020000001 ddddddddddddCC，ddddddddddddCC，而而则则差分变极距型电容式传感器的电容相对变化量为：差分变极距型电容式传感器的电容相对变化量为：4020030200302000020102101211ddddddddddddddddddddCCCCCCCCC 传感器与检测技术第4章电容式传感器近似近似(线性化线性化)处理：处理：002ddCC 差分变极距型电容式传感器的灵敏度差分变极距型电容式传感器的灵敏度 0000221/dddd

9、dCCK 差分变极距型传感器的非线性误差差分变极距型传感器的非线性误差%10022122000200 ddddddddddL 可见，与单电容传感器相比，对相同的初始极板间距离可见，与单电容传感器相比，对相同的初始极板间距离d0 ，非线性误差大大减小。非线性误差大大减小。 结论：该传感器采用差分型式后，灵敏度提高，线性变结论：该传感器采用差分型式后，灵敏度提高，线性变好。但没有根本解决灵敏度和线性度的相互矛盾。好。但没有根本解决灵敏度和线性度的相互矛盾。传感器与检测技术第4章电容式传感器 此时此时C C与与d d近似呈线性关系，在近似呈线性关系，在d d0 0较小时，对于同较小时，对于同样的样的

10、d d变化所起的变化所起的C C可以增大，从而使传感器灵敏度可以增大，从而使传感器灵敏度提高。提高。但但d d0 0过小，容易引起电容器击穿或短路。过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。介质。 云母片的相对介电常数是空气的云母片的相对介电常数是空气的7 7倍，其击穿电压倍，其击穿电压不小于不小于1000kV/mm1000kV/mm，而空气仅为，而空气仅为3kV/mm3kV/mm。因此有了云母。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。在微位移测量中应用片，极板间起始距离可大大减小。在微位

11、移测量中应用最广。最广。传感器与检测技术第4章电容式传感器4.1.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 1.线性位移电容传感器线性位移电容传感器(1)初始电容初始电容设，极板间为空气介质，忽略边设，极板间为空气介质，忽略边缘效应。则缘效应。则 abAC000 (2)电容的变化量电容的变化量 当极板移动当极板移动x，则，则xbCxbabxabC 00000)(xbCxbCCCC 00000变化量变化量C：传感器与检测技术第4章电容式传感器(3)灵敏度灵敏度K0 bxCK00 由上式可见，由上式可见，K0 是常数，具有线性输出是常数，具有线性输出特性。特性。 实际上，由于边缘效应，存在非线

12、性。实际上，由于边缘效应，存在非线性。(4)差分式电容式传感器差分式电容式传感器1）传感器输出）传感器输出C=C1-C22）可提高灵敏度，改善非线性。）可提高灵敏度，改善非线性。图图4-6 电容式角位移电容式角位移传感器原理图传感器原理图 2.2.电容式角位移传感器电容式角位移传感器 当动极板有一个角位移当动极板有一个角位移 时，与定极时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当动极板转动变了两极板间的电容量。当动极板转动 时，则时，则0 r0000(1)ACCCd 传感器与检测技术第4章电容式传感器 4.1.3 4.1.3 变介质

13、型电容式传感器变介质型电容式传感器1.1.原理原理 设被测介质的介电常数为设被测介质的介电常数为 1 1，液，液面高度为面高度为h h，变换器总高度为，变换器总高度为H H，内筒，内筒外径为外径为d d，外筒内径为，外筒内径为D D，此时变换器，此时变换器电容值为电容值为022()2()2)2InInInInInhhhhHCCDDDDDddddd 图4-7 电容式液位变换器结构原理图变换决电0 022H H其其中中C=由C=由器器的的基基本本尺尺寸寸定定的的初初始始容容值值o oD DInInd d可见，变换器的电容增量正比于液面高度为可见，变换器的电容增量正比于液面高度为h h。传感器与检测

14、技术第4章电容式传感器 2 2、应用、应用 用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图4-8 变介质型电容式传感器。L;bL:dL)LL(bCCCrr的的长长度度第第二二种种介介质质进进入入极极板板间间极极板板的的长长度度和和宽宽度度和和式式中中0002010021 可见，被测介质可见，被测介质r2r2进入极板间的深度进入极板间的深度L L会引起传感会引起传感器的电容量变化。器的电容量变化。传感器与检测技术第4章电容式传感器几种常用的电介质材料的相对介电常

15、数为几种常用的电介质材料的相对介电常数为 r：传感器与检测技术第4章电容式传感器4.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 4.2.1 4.2.1 调频电路调频电路 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。就发生变化。12fLC 式中：式中：L L振荡回路的电感；振荡回路的电感；C C振荡回路的总振荡回路的总电容，电容，C C= =C C1 1+ +C C2 2+ +C Cx x，其中，其中C C1 1为振荡回路固

16、有电容，为振荡回路固有电容，C C2 2为传为传感器引线分布电容，感器引线分布电容，C Cx x= =C C0 0C C为传感器的电容。为传感器的电容。 图图4-9 4-9 调频式测量电路原理图调频式测量电路原理图 调频式测量电路调频式测量电路原理框图如图所示。原理框图如图所示。图中调频振荡器的振图中调频振荡器的振荡频率为荡频率为传感器与检测技术第4章电容式传感器 当被测信号不为当被测信号不为0 0时，时，C C00，振荡器频率有相，振荡器频率有相应变化，此时频率为应变化，此时频率为 调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至以测量高至0.0

17、10.01 m m级位移变化量。级位移变化量。 012012()fffCCCC L 012012()fCCCL 当被测信号为当被测信号为0 0时，时，C C=0=0，则，则C C= =C C1 1+ +C C2 2+ +C C0 0，振荡器有，振荡器有一个固有频率一个固有频率f f0 0为为 传感器与检测技术第4章电容式传感器 4.2.2 4.2.2 运算放大器式电路运算放大器式电路 由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Z Zi i很高，运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比很高，运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量

18、电路。较理想的测量电路。图图4-10 4-10 运算放大器式运算放大器式电路原理图电路原理图1.电路组成电路组成2.工作原理工作原理 对反相输入端，考虑对反相输入端，考虑“虚地虚地”，有以下电流关系：有以下电流关系：IxIxICCxCxCIuCCuCjCjuXX，uXuXu 1100即即传感器与检测技术第4章电容式传感器du，、S、CudSCuu,d/SCIIx 00则则为为常常值值如如果果保保持持有有若若设设 如果传感器是一只平板电容，则如果传感器是一只平板电容，则式中：式中：“”号表示输出电压号表示输出电压U U0 0的相位与电源电压反相。的相位与电源电压反相。 运算放大器的输出电压运算放

19、大器的输出电压U U0 0与极板间距离与极板间距离d d成线性关系。成线性关系。传感器与检测技术第4章电容式传感器 4.2.3 4.2.3 二极管双二极管双T T形交流电桥形交流电桥1 1、当传感器没有输入时，、当传感器没有输入时，C C1 1= =C C2 2。 其电路工作原理如下：其电路工作原理如下： 当当e e为正半周时，二为正半周时，二极管极管VDVD1 1导通、导通、VDVD2 2截止，于截止，于是电容是电容C C1 1充电，在随后负半充电，在随后负半周出现时，电容周出现时，电容C C1 1上的电荷上的电荷通过电阻通过电阻R R1 1，负载电阻，负载电阻R RL L放放电，流过电，流

20、过R RL L的电流为的电流为I I1 1。图4-11 二极管双T形交流电桥（a）电路原理图；（b）高频电源正半周等效电路图；（c）高频电源负半周等效电路图 当当e e为负半周时，为负半周时，VDVD2 2导通、导通、VDVD1 1截止，则电容截止，则电容C C2 2充电，在随后出现正半充电，在随后出现正半周时，周时，C C2 2通过电阻通过电阻R R2 2，负载，负载电阻电阻R RL L放电，流过放电，流过R RL L的电流的电流为为I I2 2。 根据上面所给的条件，则电流根据上面所给的条件，则电流I I1 1= =I I2 2，且方向相反，在，且方向相反，在一个周期内流过一个周期内流过R

21、 RL L的平均电流为零。的平均电流为零。此处不连接此处不连接传感器与检测技术第4章电容式传感器 2 2、若传感器输入不为、若传感器输入不为0 0，则，则C C1 1C C2 2，I I1 1I I2 2，此时在一，此时在一个周期内通过个周期内通过R RL L上的平均电流不为零，因此产生输出电压，上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为输出电压在一个周期内平均值为LoLL12LL1220L(2)1( )( ) d()()TR RRUI RI tIttRR Uf CCTRR 若若 则输出电压可改写为则输出电压可改写为 U Uo o= =UfMUfM( (C C1 1C

22、C2 2) ) 输出电压输出电压U Uo o不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T T形网络中电容形网络中电容C C1 1和和C C2 2的差值有关。故可用来测量高速的的差值有关。故可用来测量高速的机械运动。机械运动。LL2L(2)()R RRRMRR传感器与检测技术第4章电容式传感器4.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用4.3.1 4.3.1 电容式油量表电容式油量表 （1）当油箱中无油时，）当油箱中无油时，电容传感器的电容量电容传感器的电容量Cx =Cx0，调节匹配电容使，调节匹配电容使C0=Cx0，R4=R3；并使调并使调零电位器零电位器RP的滑

23、动臂位的滑动臂位于于0点，即点，即RP的电阻值的电阻值为为0。此时，此时，电桥满足电桥满足Cx /C0=R4 /R3的平衡条件，的平衡条件，电桥输出为零，伺服电电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指动机不转动，油量表指针偏转角针偏转角 =0。图4-15 电容式油量表1油箱；2圆柱形电容器；3伺服电动机；4减速箱；5油量表传感器与检测技术第4章电容式传感器 （2）当油箱中注满）当油箱中注满油时，液位上升至油时，液位上升至h处，处，Cx=Cx0+ Cx，而，而 Cx与与h成正比，此时电桥失去成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动伺服电经放大后驱动伺服电动机，

24、再由减速箱减速动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，后带动指针顺时针偏转，同时带动同时带动RP的滑动臂移的滑动臂移动，从而使动，从而使RP阻值增大，阻值增大，Rcd =R3+RP也随之增大。也随之增大。当当RP阻值达到一定值时，阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状电桥又达到新的平衡状态，态，Uo=0，于是伺服电，于是伺服电动机停转，指针停留在动机停转，指针停留在转角为转角为处。处。图4-15 电容式油量表1油箱；2圆柱形电容器；3伺服电动机；4减速箱；5油量表传感器与检测技术第4章电容式传感器 （3）由于指针及可变电阻的）由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带滑动臂同时为伺服电动

25、机所带动，因此，动，因此，RP的阻值与的阻值与 间存间存在着确定的对应关系，在着确定的对应关系，即即正正比于比于RP的阻值，而的阻值，而RP的阻值的阻值又正比于液位高度又正比于液位高度h，因此可，因此可直接从刻度盘上读得液位高度直接从刻度盘上读得液位高度h。（4）当油箱中的油位降低时，）当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针伺服电动机反转，指针逆时针偏转偏转(示值减小示值减小)，同时带动，同时带动RP的滑动臂移动，使的滑动臂移动，使RP阻值减阻值减小。当小。当RP阻值达到一定值时，阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次，于是伺服

26、电动机再次停转，指针停留在与该液位相停转，指针停留在与该液位相对应的转角对应的转角处。处。 图4-15 电容式油量表1油箱；2圆柱形电容器；3伺服电动机；4减速箱；5油量表传感器与检测技术第4章电容式传感器 本本 章章 小小 结结 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。化的一种传感器。它结构简单、体积小、分辨率高，它结构简单、体积小、分辨率高，可非接触式测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶可非接触式测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。劣条件下工作。广泛应用于压力、差压、液位、振动、广泛应用于压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等多方面测量。位移、加速度、成分含量等多方面测量。随着电容测随着电容测量技术的迅速发展，电容式传感器在非电量测量和自量技术的迅速发展，电容式传感器在非电量测量和自动检测中得到了广泛的应用。动检测中得到了广泛的应用。传感器与检测技术第4章电容式传感器 同同 步步 练练 习习 4-1 根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？根据工作原理可