第五章 电容式ppt课件

1、第五章第五章 电容式传感器电容式传感器优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。小功率、高阻抗时间短、易实现非接触测量等。小功率、高阻抗;本身发热影响本身发热影响小。小。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。容式传感器的优点得以充分发挥。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度

2、和成分含应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。量等测量之中。 电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。Q Q用带来不便。用带来不便。电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器5.1 5.1 工作原理与结构形式工作原理与结构形式（一工作原理（一工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容当忽略边缘效应时，其

3、电容C C为为 SS极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积； dd极板间距离；极板间距离；rr相对介电常数；相对介电常数；0 0 真空介电常数，真空介电常数，0 0 8.85pF/m8.85pF/m； 电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。d d、S S和和rr中的某一项或几项有变化时，就中的某一项或几项有变化时，就改变了电容改变了电容C0C0、d d或或S S的变化可以反映线位的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；加速度等的变化；rr的变化则可反映液面的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。高度、材料厚度等的

4、变化。 SddSdSCr0 3变介电常数变介电常数(r)型型(a) 单组式平板形厚度传感器单组式平板形厚度传感器dx1CBld2d12xCA2r22r1hhx1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 ，其电容变化量C为d2变极距型电容传感器1 该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。CC0C- 特性曲线dC0极距为时的初始电容量。 dddC

5、ddddSdSddSC01000011 ddCddSCCC1000021 ddCddSCCCdddddd0201,021ddd00 dSCC1 1C2 2时，当1/0dd.13020001ddddddCC.13020002ddddddCC）（83 .22300021ddddCCCC）（123 200dCdCK）（113 %100%10020030ddddddr）（103 200ddCC）（）（）（93 12402000 ddddddCC2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆

6、柱形变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C C在忽略边缘效应时为在忽略边缘效应时为ll外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2r2、r1 r1 圆筒内半径和内圆柱外半径。圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动ll时，电容变化量时，电容变化量CC为为)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2这类传感器具有良好的线性,大多用来检

7、测位移等参数。 3 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。湿度等。若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被厚度的关系为图，传感器的电容量与被厚度的关系为 dx厚度传感器C1C2C3C/ )(0 xxdddabCn若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，

8、传感器的电容量与被位移的关系为 C1C2C3CC400/)(/ )(dlabdddblCxxxx a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ；:两固定极板间的距离；x、0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。 l平板形lxn若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为 液位传感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。 2 r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK（三）（三） 电容式传感器的信号调节电路电容式传感器的信号调节电路

9、1、 运算放大器式电路运算放大器式电路 其最大特点是能够克服变极距型电容式传感其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图器的非线性。其原理如图将将Cx = 代入上式得代入上式得 -AuoCCxu运算放大器式 电路原理图负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 uCCuCjCjuxx1)(10dS / )(dSuCu0UCr1C（a）RRU SCCr1R（b）RCr2U SCU特点：特点

10、：高频交流正弦波供电；高频交流正弦波供电； 电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；施； 通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥； 输出阻抗很高输出阻抗很高(几几M至几十至几十M)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。高放大倍数的处理电路。3 3、二极管双、二极管双T

11、 T形电路形电路电路原理如图电路原理如图(a)(a)。供电电压是幅值为。供电电压是幅值为UEUE、周期、周期为为T T、占空比为、占空比为5050的方波。若将二极管理想化的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图电路，如图(b)(b)。其中二极管。其中二极管VD1VD1导通、导通、VD2VD2截止截止，电容，电容C1C1被以极其短的时间充电、其影响可不予被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容考虑，电容C2C2的电压初始值为的电压初始值为UEUE。根据一阶电。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容路时域分析

12、的三要素法，可直接得到电容C2C2的电的电流流iC2iC2如下：如下： C2UE(b)RRRLC2C1VD1VD2i C1i C2+UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR+i C1i C2iC1iC2电路特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。 4 4、差动脉冲调宽电路、差动脉冲调宽电路 又称差动脉宽又称差动脉宽( (脉冲宽度脉冲宽度) )调制电路调制电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽利用

13、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。得到对应被测量变化的直流信号。右图为差动脉冲调宽电路原理图，图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。R2双稳态触发器V D1V D2A1A2ABR1C1C2u ABFQQUr差动脉冲调宽电路G5 5、 调频电路见调频电路见9999页）页） 6 6、 谐振电路谐振电路 （见（见100100页）页） LCf210（五（五 ） 电容式传感器的应用电容式传感器的应用驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。 电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近个极