常用的传感器电容式

1、1测试技术基础测试技术基础第二章第二章 常用的传感器常用的传感器华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院2采用采用电容器电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转作为传感元件，将不同物理量的变化转换为换为电容量电容量的变化。的变化。被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息电容元件电容元件电容元件电容元件实际上是一个实际上是一个具有可变参数具有可变参数的电容器的电容器零漂小、结构简单、动态响应快、易实现非接触测量。用于测量位移、压力、振动及液位等。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院3用两块平行金属平板作电极可构成电容器，当忽略边

2、缘效应时其电容C为：A 1 1 工作原理工作原理、A A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。变面积型变面积型电容式传感器电容式传感器变极距型变极距型变介电常数变介电常数0AC 在交流电路中，电容量的变化改变容抗，从而使输出电流或电压发生变化。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院4 2 2 变极距型变极距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： 20ACS灵敏度与极距的平方值成反比，极距越小时灵敏度越高。但灵敏度随极距的变化会引起非线性误差.0AC 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学

3、院5n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n减小可以提高灵敏度。但过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为3kVmm）。可在极间加一层云母片（其击穿电压大于 103kV/mm）或塑料膜来改善电容器耐压性能。20ACS1 . 0华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院6为提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件（如为提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等）变化对测量精度的影响，常采用电源电压、环境温度等）变化对测量精度的影响，常采用差动差动式结构。式结构。采用差动式电容传感器，灵敏采用差动式电容传感器，灵

4、敏度提高一倍，非线性误差相应度提高一倍，非线性误差相应减小。减小。变极距型差动电容传感器变极距型差动电容传感器n极距变化型电容传感器的灵敏度高，可利用被测部件作为动极板实现非接触式测量，常用于压力以及小位移的测量。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院7设可动极板上移设可动极板上移 ，则，则 增大，增大， 减小。减小。1C)()(1 11302000001CCC)()(13020002CC所以差动式电容传感器的输出为：所以差动式电容传感器的输出为：002CC非线性误差为：非线性误差为：%100)()()(20030灵敏度为：灵敏度为：2000022ACCS可见，采用差动式电容传感器，不仅使灵

5、可见，采用差动式电容传感器，不仅使灵敏度提高一倍，也使非线性误差大大减小。敏度提高一倍，也使非线性误差大大减小。变变d型差动电容传感器型差动电容传感器2C)(22300021CCCC华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院8 3 3 变面积型变面积型A ) A ) 角位移式电容传感器角位移式电容传感器22rA202rC 此时，传感器的灵敏度此时，传感器的灵敏度S S为：为：202dCrSd 常 数由两半圆形极板构成，其覆盖面积对应的由两半圆形极板构成，其覆盖面积对应的中心角为中心角为0AC 当动板有一转角当动板有一转角 时，由于覆盖面积变化，时，由于覆盖面积变化，电容量改变。电容量改变。可见该

6、传感器测角位移使有良好的线性特性。可见该传感器测角位移使有良好的线性特性。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院9B ) B ) 直线位移式电容传感器直线位移式电容传感器当可动极板移动距离当可动极板移动距离 时，覆盖面积发生时，覆盖面积发生变化，相应电容量发生变化变化，相应电容量发生变化此时，传感器的灵敏度为：此时，传感器的灵敏度为：0 xdCbxSdx 常 数0 xbxC x设原电容值为：设原电容值为：华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院10C ) C ) 圆柱体线位移式电容传感器圆柱体线位移式电容传感器随动板圆柱的位移，定板圆柱与动板圆柱之间的覆盖面积发生变化，从而随动板圆柱的位移，

7、定板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。电容量发生变化。02ln()xCD d 两个两个同轴圆筒电极同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：组成的电容器，其电容值为：x当覆盖长度变化时，当覆盖长度变化时，02ln()CSxD d 常数通过通过A A）B B）C C）的分析可得出结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常）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。直线位移及角位移等参数。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院11

8、 4 4 变介电常数型变介电常数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。量发生变化。这类传感器常用做检测容器中这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度片状材料的厚度、液面高度液面高度等，也可用来等，也可用来测量空气的湿度、温度等。测量空气的湿度、温度等。A ) A ) 电容测厚仪电容测厚仪C0C1C0101C CCCC这种传感器的电容量等于两个电容这种传感器的电容量等于两个电容 和和 相串联相串联0C1C0AC 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院12001010100010101011AAC

9、 CACAACC 此时此时 为空气相对介电常数，为空气相对介电常数， 为待测体的介电常数，当厚为待测体的介电常数，当厚度度 已知时，此电容传感器可作为介电常数测量仪。已知时，此电容传感器可作为介电常数测量仪。11 如果待测体的介电常数如果待测体的介电常数 不变时，可作测厚仪使用。不变时，可作测厚仪使用。10101C CCCC10101110A华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院13B ) B ) 电容液面计电容液面计两个两个同轴圆筒电极同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：组成的电容器，其电容值为：这类传感器常常采用这类传感器常常采用同轴圆筒电极同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。组成的

10、电容器作为测量装置。02ln()xCD d 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院14设容器中介质是不导电液体（如果是导电液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）体，则电极需绝缘）总的电容总的电容 相当于上方气体介质间的电容量相当于上方气体介质间的电容量 和液体介质间电容量和液体介质间电容量 之之和（相并联）。和（相并联）。022021122()ln(/)ln(/)hhhCDdDd 01122ln(/)hCDd 1C2CC021011120201212()2ln(/)ln(/)22()ln(/)ln(/)hhhCCCDdDdhhDdDd AK1KhAC可见，同轴圆筒电容传感

11、器的电容量可见，同轴圆筒电容传感器的电容量与液位成线性关系与液位成线性关系。C1CC221CCC02ln()xCD d 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院15电容式传感器的电容值一般十分微小，不便于直接显示、记录和传输。因此，电容式传感器的电容值一般十分微小，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。率信号。（一）（一） 交流电桥交流电桥Ui交流放大器相敏检波器低通滤波器Z1Z2Z3Z4SCUE 4 4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路电容传感器

12、阻抗电容传感器阻抗对于电容传感元件来说，有如下关系：对于电容传感元件来说，有如下关系：111ZCdZCd华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院16（二）（二） 二极管环形检波电路二极管环形检波电路稳幅放大器稳幅放大器比例放大器比例放大器恒压恒流源恒压恒流源电流转换器电流转换器FFBHLHLFSCRURUCCCCRRII0如果采用变面积型或变间隙型差动式电容传感器，均可得到线性输出。如果采用变面积型或变间隙型差动式电容传感器，均可得到线性输出。华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院17（三）（三） 差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路宽度受宽度受C1C1、C2C2调制的方波脉调制的方波脉

13、冲冲由于由于C1C1、C2C2大小不同，导致差动电容的充电时间不同，使双稳态触发大小不同，导致差动电容的充电时间不同，使双稳态触发器输出端的方波脉冲宽度不同。器输出端的方波脉冲宽度不同。12121UCCCCUSC华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院18（四）（四） 运算法测量电路运算法测量电路当运放的输入阻抗很高，增益很大当运放的输入阻抗很高，增益很大时，认为输入电流时，认为输入电流 ， 则则0IXSCCCEU0dSCXdSCEUSC0从原理上解决了使用单个变间隙型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。电容传感器输出特性的非线性。该电路要求固定电容该电路要求固定电容 必

14、须稳定，必须稳定，信号源电压信号源电压 必须采取稳压措施必须采取稳压措施0CE华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院191 1温度稳定性好温度稳定性好2 2结构简单，适应性强结构简单，适应性强 5 5 电容式传感器的特点电容式传感器的特点3 3动态响应好动态响应好 4 4可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、例如测量极低的压力、力

15、和很小的加速度、位移等力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。甚至更小的位移。 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院20不足：1 1输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差2 2寄生电容影响大寄生电容影响大3 3、输出特性非线性、输出特性非线性 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院21华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院22（一）电容式差压变送器（一）电容式差压变送器特点：特点：1. 变送器感压腔室内充满了温度系数小、稳变送器感压腔室内充满了温度系数小、稳定性高的硅油作为密封液；定性高的硅油

16、作为密封液；2. 为了使变送器获得良好线性度，感压膜片为了使变送器获得良好线性度，感压膜片采用张紧式结构；采用张紧式结构；3. 变送器输出为标准电流信号；变送器输出为标准电流信号；4. 可测可测00.75Pa的小压强，动态响应时间一的小压强，动态响应时间一般为般为100ms。图中图中1、2为测量膜片，与被测介质直接接触。为测量膜片，与被测介质直接接触。3为感压膜片，在圆周方向为感压膜片，在圆周方向张紧，张紧，1、3为一室；为一室；2、3为另一室；构成二室结构。为另一室；构成二室结构。 6 6 电容式传感器的应用电容式传感器的应用华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院2300CCCCCAAL0

17、0CCCCCAAHACC ,0如何求？如何求？华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院24对于一个球面平面型电容器，在忽略边缘效应时，可用单元积分法对于一个球面平面型电容器，在忽略边缘效应时，可用单元积分法求出求出ACC ,0)(ln8.100pFddRCbr2220ln4baaPPRCLHrA华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院25上述差动式电容传感器配置二极管环行检波电路，即可输出（上述差动式电容传感器配置二极管环行检波电路，即可输出（420）mA标准电流信号。标准电流信号。将两差动电容值代入二极管环行检波电路输出电流表达式，得到：将两差动电容值代入二极管环行检波电路输出电流表达式，得到：FFBAFSCRURUCCRRII00化简得到，化简