检测技术07 第七章

1、传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1 1第7章 电容式传感器1.1.掌握传感器工作原理及特性掌握传感器工作原理及特性 2.2.掌握测量电路掌握测量电路3.3.了解传感器的应用了解传感器的应用 第第7章章 电容式传感器电容式传感器传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2 2第7章 电容式传感器7.1 工作原理及特性工作原理及特性 工作原理工作原理: :将被测量转化为电容量变化。将被测量转化为电容量变化。+ A 两平行极板组成的电容器，两平行极板组成的电容器，其电容量为其电容量为: :ArC0、A A或或发生变化发生变化时，都会引起电容的时，都会引起电容的变化。变化。传感器与测试技术机电工

2、程学院机电工程学院3 3第7章 电容式传感器1 1、极距、极距变化型变化型+CAddCSr20灵敏度：灵敏度：ArC0传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院4 4第7章 电容式传感器u灵敏度灵敏度s s与极距的平方成反比，极距越小，灵敏与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受电容极板间击穿电压的限度越高，但极距减小受电容极板间击穿电压的限制。一般制。一般 0 00.10.11mm1mm左右。左右。u电容量电容量C C与极距与极距呈非线性关系，为了减小非线呈非线性关系，为了减小非线性误差，通常极距变化范围性误差，通常极距变化范围/ / 0 0 0.010.010.10.1。u此类

3、电容传感器仅适于微小位移的测量此类电容传感器仅适于微小位移的测量（0.010.01 m m数百微米）；非接触测量数百微米）；非接触测量工作特性：工作特性：传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院5 5第7章 电容式传感器传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院6 6第7章 电容式传感器 实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响，常常采用等）的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容差动型电容式传感器。式传感器。 21传感器与测试技术机

4、电工程学院机电工程学院7 7第7章 电容式传感器2 2、面积变化型：常用的有角位移型和线位移型两种。、面积变化型：常用的有角位移型和线位移型两种。 constantbdxdCSr0constant220rddCSr传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院8 8第7章 电容式传感器 由于平板型传感器的可动极板稍有极距方向移动会由于平板型传感器的可动极板稍有极距方向移动会影响测量精度，因此，一般情况下，影响测量精度，因此，一般情况下，变面积型电容式变面积型电容式传感器常做成圆柱形传感器常做成圆柱形。传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院9 9第7章 电容式传感器当覆盖长度当覆盖长度x x变化时，

5、电容量变化，其灵敏度为变化时，电容量变化，其灵敏度为 constant)/ln(20dDdxdCSr圆筒形电容器的电容为圆筒形电容器的电容为: : )/ln(20dDxCr面积变化型电容传感器的优点是面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关输出与输入成线性关系系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大适用于较大角位移及直线位移的测量。角位移及直线位移的测量。 传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1010第7章 电容式传感器CACB12xl2图中，厚度为图中，厚度为 2 2 的介质的介质（ 2 2 为其介电常数）在电为其介电常数）在电容器中左右运动，

6、由于电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改容器中介质的介电常数改变，电容量改变。设电容变，电容量改变。设电容器极板宽度为器极板宽度为b b，介质介质 2 2的宽度大于等于的宽度大于等于b b。 10blC 当极板间无介质当极板间无介质 2 2时，时，3 3、介电常数变化型、介电常数变化型传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1111第7章 电容式传感器2121CCCCCA22112212)(bxbxlxCCxlbCB001)(存在介质时，存在介质时，C C= =C CA A+ +C CB B （并联）并联）其中：其中： 1 1= = - - 2 2212121001lxCCC从而：从

7、而：tconslCdxdCStan12121210灵敏度灵敏度传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1212第7章 电容式传感器 常用于测量电介质的常用于测量电介质的厚度、位移、液位厚度、位移、液位，还可根据，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量变来测量温度、湿度、容量温度、湿度、容量等。等。 传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1313第7章 电容式传感器 目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运算放大电路、差动脉冲宽度调制电路等。电路、运算放大电路、差动脉冲宽度调制

8、电路等。 7.2 测量电路测量电路 1 1、电桥电路、电桥电路传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1414第7章 电容式传感器2 2、谐振电路谐振电路 电容传感器的电容电容传感器的电容C Cx x作为谐振回路作为谐振回路( (L L2 2、C C2 2、C Cx x) )调谐电调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，被转换为电压或电流，振回路的阻抗发生相应的变化，被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到

9、相应的输出。再经过放大、检波即可得到相应的输出。 传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1515第7章 电容式传感器3 3、调频电路、调频电路 4 4、运算放大器电路、运算放大器电路 Acuccuurxy00000输出电压与间隙输出电压与间隙成线性关系。成线性关系。 传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1616第7章 电容式传感器5 5、脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 010UU直流输出电压直流输出电压与输入与输入(间间隙变化隙变化)成线性关系。成线性关系。 传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1717第7章 电容式传感器7.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式传感器的

10、优点：电容式传感器的优点： (1)(1)输入能量小而灵敏度高。输入能量小而灵敏度高。(2)(2)精度高达精度高达0.01%0.01% 。(3)(3)动态特性好，适合测量动态参数动态特性好，适合测量动态参数。(4)(4)能量损耗小。能量损耗小。(5)(5)结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）。结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）。缺点：缺点：电缆分布电容影响大电缆分布电容影响大。 集成电路、双屏蔽传输电缆等集成电路、双屏蔽传输电缆等降低分布电容的影响降低分布电容的影响 传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1818第7章 电容式传感器 电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位电容式传感

11、器广泛应用在位移、压力、流量、液位等测试中。等测试中。传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1919第7章 电容式传感器齿轮转动时，电容齿轮转动时，电容量发生周期性变化，量发生周期性变化，通过测量电路转换通过测量电路转换为脉冲信号，则频为脉冲信号，则频率计显示的频率代率计显示的频率代表转速大小。设齿表转速大小。设齿数为数为z z, ,频率为频率为f f, ,则则转速为转速为: :传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2020第7章 电容式传感器电容式传声器电容式传声器传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2121第7章 电容式传感器陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2222第7章 电容式传感器电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2323第7章 电容式传感器电容式接近开关电容式接近开关