感测技术--ch5-3剖析

1、第三部分 电容式传感器 工作原理与类型工作原理与类型 转换电路转换电路 性能、特点及设计要点性能、特点及设计要点 电容传感器应用电容传感器应用 电容式集成传感器电容式集成传感器 一、工作原理和类型 定义：定义：将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。 应用应用：位移、加速度、液位、振动及湿度。 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 原理式原理式0rSSC 式中: 电容极板间介质的介电常数, =0r, 其中0为真空介电常数, r为极板间介质相对介电常数; S 两平行板所覆盖的面积; 两平行板之间的距离。 当被测参数变化使得式中的S, 或 发生变化

2、时, 电容量C也随之变化。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, 通过测量电路就可转换为电量输出。因此, 电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 类型变极距（间距）型电容传感器类型变极距（间距）型电容传感器 当传感器的和S为常数, 初始极距为 时, 可知其初始电容量C0为0SC若电容器极板间距 因被测量变化而变化 时，则有 0SSSCC 原理非线性，实际中作成差动式来改变其非线性 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量

3、中应用最广。 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器圆柱形电容器的电容量212ln(/ )lCrr当两圆筒相对移动 时，电容变化量为l212122()ln(/ )ln(/ )lllCrrrr212ln(/ )lrr0lCl具有良好线性 变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张#, 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。 变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器 变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器（并联）12ccc122()

4、lnlnhHhDDdddDhdDHln)(2ln21dDhcln)(210此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。测量被测介质的插入深度测量被测介质的插入深度（1）无介质插入010 000rL bc （2）有介质插入 两段电容并联102120 00()rrLLLcccb0000) 1(2LLcccccr可见, 电容的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。 电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换

5、电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。二 转换电路 调频测量电路调频测量电路 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。 虽然可将频率作为测量系统的输出量, 用以判断被测非电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。调频测量电路原理框图如图 所示。调频振荡器的振荡频率为21)(21LCf式中: L振荡回路的电感; C振荡回路的总电容，C=C1+C2+C0C。 其中, C1为振荡回路固有电容

6、; C2为传感器引线分布电容; C0C为传感器的电容。 当被测信号为0时, C =0, 则C =C1+C2+C0, 所以振荡器有一个固有频率f0, f0= 当被测信号不为 0 时, C0, 振荡器频率有相应变化, 此时频率为 21021)(21LCCCffLccccf021021)(21 调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至0.01 m级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯, 抗干扰能力强, 可以发送、接收以实现遥测遥控。 电桥电路电桥电路 将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个

7、二次线圈。其中另两个臂是紧耦合，电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性。2012211210200021()1()iiiiUZUUZZZZUZZZjCCZjCCCUUC图图5-8电桥电路电桥电路 电容传感器可以直接测量的非电量为，直线位移、角位移及介质的几何尺寸(或称物位)，直线位移及角位移可以是静态的，也可以是动态的。 用来测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等量的传感器，往往来用单极式变间隙电容传感器，使用时常将被测物作为传感器的一个极板，而另一个电极板在传感器内。二、电容式传感器的应用二、电容式传感器的应用电容式加速度传感器电容式加速度传感器1、结构、结构 质量块两个经过磨平抛光的平面与两个固

8、定极板构成差动电容传感器。11212k aCCkaCC2、原理、原理 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，此电容增量正比于被测加速度。 电容式差压传感器电容式差压传感器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压力差使膜片变形产生位移时，两个电容器电容量发生变化。1002001SCCCSCCCkP2111200CCkPk PCC 将差动电容器接于桥式电路PkUCCCCUZZZZUUiii222211221210 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器1、结构、结构传感器上下两个极板与金属板上下表面间构成电容传感器。 2、原理、原理 将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容, 振荡器的其它参数为固定值, C0为耦合和寄生电容, 振荡频率分别为21011)(21CCLfx21022)(21CCLfx11rxxSCd22rxxSCd调频式差动电容式