传感器与检测技术第5章电容式传感器重点

1、检测技术电子与信息工程学院 主讲人：赫健第5章电容式传感器主要介绍三方面内容:1. 工作原理2. 测量电路典型应用检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量 的变化来实现对物理量的测量。最常用的形式是由两个平行 电极组成、极间以空气为介质的 电容器（如图5.1）。若忽略边缘 平板电容器的电容为厂 _ c:rAC =介从图5.1平板电容器电极板£为极板间介质的介电常数，A为两极板互相覆盖的有效面积，为两极板之间的距离.d、4、占三个参数 中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理一.变面积型1、线位

2、移变面积型常用的线位移变面积型电容式传感器有平板状和筒 状两种结构。（町甲板状的角状图52线位移变面积型检测扌支术第5章电容式传感器5.1工作原理平板状设两极板覆盖面积为A,当其中一块沿x方向移动时A值发生变化，电容量C也随之改变。C = C°7C 亠 SWd其中C严迪空AC =h图53平板状电容的相对变化量为u'= vCo u检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理筒状当动极板圆筒沿轴向移动心时, 两极板圆筒的覆盖面A随着变化，则 导致两极板间电容量发生改变。Ay/-AyRAjt2 疋(0)_2知(1-丁)2ln，?r图54筒状e 一 录 一 & 一 In ACCo

3、 =/电容的相对变量为检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理2、角位移变面积型当角位移变化时，两极板的覆盖图55角位移式面4也随着变化，则导致两极板间电 容量发生改变。当时，初始电容量为C（）=2字£。64）（1-一）QC =心二）当。症0时，电容量为d所以，/C = Co C = Co 兀检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理二.变介质型因为各种介质的介电常数不 同，当它们之间的介电常数£发 生变化时，电容量C也随之改变。_ 2兀_h) _ 2?O(77 /?)5 =lnDdin °dC _2兀£°£hlnDdD图5.6 B1柱

4、式H检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理未注入液体时的初始电容为C。= 2驾H = 込H注入液体时的电容为In In dd2tt80(H -h) 2兀£Qh2加?0(£1”7C = G +c2 =F；+ =Co +In d电容值的变化正比于被测液位高度，因此，电容传感器可以用来测量一种流体的液位高度。检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理2、平板式fro £0£, 2乙"()图5.7平板式电容量与电介质的移动量厶成线性关系。可用来测 量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织 器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。检测技术第5章电容式

5、传感器5.1工作原理三.变极距型1、工作原理1定极仮极板1固定不动，极板2可 动，当极板2受被测量变化引起 移动时，就改变了极板间的距图5.8变极/巨型离，从而使电容量C发生变化。设极板2未动时的电容量为C° =警4£当极板2移动后，电容量为C = C0+AC =%£/ _C（）d0-/d “检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理如果乎1时，则按台劳级数展开，可得C = C0+AC = C0l + +A2+()3+.作线性处理,忽略高次非线性项，可得AC = AJ()通过分析可知，云母片增加灵敏度；极板间距范围：rf() < 1mm, /d < ()

6、/1 ()。 变极距型电容传感器测微米级位移； 变面积型电容传感器测厘米级位移。检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理2、非线性分析C = C04-AC = C0l+4-（半）2 + （学）3 + 竺=乂1 +乞+（乞尸+G）d0线性化处理可得,检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理t AC AJZ1AJ 0、r.如果 K = （l + ）= +（）,则 C（）（） "o do （）相对非线性误差为，因此，为了提高灵敏度又减小非线性误差，通常釆用差 动结构。检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理w；_。初始时两电容器极板间距罚"占 6 为必，初始电容量为&0/

7、图5.9差动式当中间的动极板上移/时，d=d°M心=厶+加，G = G = "1 +字+ （字尸+ （字尸+1_竺厶厶 <厂一厂 1 厂1/皿、3 ,Q = Co= °01一丁 +（丁）（丁）+ 1+_厶 d（） 血£检测技术第5章电容式传感器5.1工作原理则、C = CC产 C°2（半）+ 2（学）3 + 2（学）5 + d八d©C 小 AJ 彩2 '（） 厶-厶li+（r+（）4+-j即 7蘇 do UqACCn2K- 0=zW£相对非线性误差为X 100%£X 100检测扌支术第5章电容式传感器

8、5.2测量电路一、调频电路 鬆电容式传感器Co > L -j限緬 笠尖三放大 > 希出图510调频电略振荡器的震荡频率为/ =,其中C = C0±AC2 兀 J LC当没有被测信号时，AC = O ,则人=12兀(LC。当有被测信号时，AChO ,则/ =检测扌支术第5章电容式传感器5.2测量电路7Co+AC二.变压器式交流电桥z = .' j®C y(C0+AC)匕Tg >(c0-ac)12图511变压器电桥测走电路则0二5 z 5=乙一乙5-55严5 ° Z, +Z2 22 Z, +Z2 2 C, +C2 2 Co 2检测技术三.运算

9、放大器1由电路分析可知，图5.12运算放大器电路第5章电容式传感器5.2测量电路设运算放大器的放大倍数 K-8,图5.12中0点为“虚地”， 且运算放大器的输入阻抗为Zj=oo, 因此 O / =0图5.13差动脉冲调宽电路图5.13差动脉冲调宽电路检测技术S Q 双稳态 触发器R QRi C】卒第5章电容式传感器5.2测量电路四、差动脉冲调宽电路利用对传感器 电容的充放电使电 路输出脉冲的宽度 随传感器电容量变 化而变化。通过低 ' 通滤波器得到对应 被测量变化的直流 信号。电路原理图 如图513所示。图5.13差动脉冲调宽电路检测技术第5章电容式传感器5.2测量电路根据电路知识可知

10、:U入、/一人点和点的矩形脉冲的直流分量;7、几一分别为C和C?的充电时间； 匕一惑发器输出的高曲位。检测技术第5章电容式传感器5.2测量电路A. B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得, 等于乩两点电压平均值匕与乙之差，即设/?1=心乩则说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传 感器两电容差值成正比。检测技术第5章电容式传感器5.2测量电路对于差动式变极距型电容传感器：匕二 一仏Li当 C=C*2=Co（即=6?2=（）时，/=0；当Cj>C2时，则 d严d°AJ、二d°+M,则d+ /W、d2 =dQ-Sd、则检测技术第5章电容式传感器5.2测量电路对于差动式变面积型

11、电容传感器：鸽尹当 C|=C2=C0(1=A2=Ao)时，l/o=O;当Cj>c2时，则 4=a)+za. a2 = a)-aa,则AA当Ci<c2时，则 4=4)-/、则AA5 = 5A)可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容 传感器，并具有理论上的线性特性。检测技术第5章电容式传感器5.3典型应用一、差动电容式压力传感器 图514中所示为一个膜片 动电极和两个在凹形玻璃上电 镀成的固定电极组成的差动电 容器。当被测压力或压力差作 用于膜片并使之产生位移时， 形成的两个电容器的电容量， 一个增大，一个减小。该电容 值的变化经测量电路转换成与 压力或压力差相对应的电流或外兖Pl 凹形玻璃(动极板)图5.14差动电容式压力传感器电压的变化。检测扌支术第5章电容式传感器5.3典型应用二.电容式测厚仪图515电容式测厚仪检测技术第5章电容式传感器5.3典型应用电容式测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中 的