第5章 电容式传感器3

1、第五章电容式传感器 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。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、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。湿度和成分含量等测量之中。用两块金属平板作电极可构成电容器，其电容C为SSCr0S本章内容：本章内容：5.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 5.2 .变面积型电容传感器变面积型电容传感器5.3 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器5.4 转换电路转换电路5.5 应

2、用应用5.1 5.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 极板极板1固定不动，极板固定不动，极板2为可动为可动电极电极(动片动片)，当动片随被测量变化，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，而移动时，使两极板间距变化，(C0极距为时的初始电容量极距为时的初始电容量).其电容变化量其电容变化量C为为21 该类型电容式传感器存在非线该类型电容式传感器存在非线性，所以实际应用中，为了改善性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度常作成差动非线性、提高灵敏度常作成差动式结构式结构. .CC0C- 特性曲线0CSSSC变极距型电容传感器FCK变极距型电容传感器的灵敏度定义为变极距型电容传感

3、器的灵敏度定义为 变极距型电容传感器的灵敏度是极板间隙的函数，变极距型电容传感器的灵敏度是极板间隙的函数，间隙越小，灵敏度越高。但间隙越小，容易引起电间隙越小，灵敏度越高。但间隙越小，容易引起电容击穿。容击穿。00CC100CK)(000SKr0200SKr000SCr.5.2变面积型电容传感器原理 1.直线位移式电容传感器当动极板移动x后，面积A就改变，则电容也随着改变.xaxCCbxCxabCx000)(xbCCCx0b 这种形式的传感器其电容量这种形式的传感器其电容量C与水平位移与水平位移x是线性关系。是线性关系。axCCCx00baC 02.角位移式电容传感器角位移式电容传感器 当动极

4、板有一角位移时，就改变了两极板间的遮盖的面积。电容量就随之改变。SC 0当=0时当不等于零时1-10CSC电容与角位移之间为线性关系 3.圆柱式电容传感器 由于平板形传感器的可动极板稍向板间距方向移动时，将影响测量精度，变面积型电容传感器常作成圆柱形。)/ln(2120rrlCL为外圆筒与内圆柱覆盖的长度 r2r1llC)r /rln(l2)r /rln() ll (2)r /rln(l2C0121212传感器其电传感器其电容量容量C与水与水平位移平位移L是线性关系是线性关系。当两筒没有位移时，电容量为当两筒相对位移L时，电容量为L当两筒相对位移L时，电容变化量为)/ln()(2121rrll

5、C3 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质的变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度厚度、液位液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿，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度改变而改变来测量介质材料的温度温度、湿度湿度等。等。1.1.单组式平板形厚度传感器单组式平板形厚度传感器传感器的电容量与被测厚度的关系传感器的电容量与被测厚度的关系 根据等效电路推出：根据等效电路推出：x厚度传感器C1C2C3C/ )(0 xxabCbaC02.单组式平板线位移传感器 a、b、x:固定极板长度和宽度及被测物进入两

6、极板间的长度 ；1空气的介电常数 2:被测物介电常数。 lcBd1d2CACBCcAxb12BACCC0B/)(xlabC/)(/021AxxxblCCCC1C200/)(/)(xxxxlabblC212121001.ddlxCCCAdd2121211令lxCCC00A传感器的电容量与位移为线性关系210ddblC3.液位传感器 图 是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。电极引线)/ln()(2)/ln(212012rrhrrhCx h为外圆筒与内圆柱覆盖的高度，为外圆筒与内圆柱覆盖的高度，为被测物的介电常为被测物的介电常数，数，hx为被测液面的高度内筒外径为为被测液面

7、的高度内筒外径为r1, 外筒内径为外筒内径为r2。C1CC2h2r12r2hx)/ln(2)/ln()(2121120rrhrrhhCxx可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。 )/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK设设:xKhAC)/ln()(2)/ln(212012rrhrrhCx例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内时传感器的灵敏度(pF/L)解：传感器电容量C与被测液位高度H成线性关系。pFmmpFrrHC46

8、.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872 . 146.41ln2120maxH=1.2m时传感器的电容最大H=0传感器的电容最小xKhACpFmmpFrrhC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpFpFrrhCr07.872 . 146.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax储存罐的容积为：传感器的灵敏度：LmmhdV6 .2352 . 14)5 . 0(422 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一

9、个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻电阻或电容电容或电感电感，也可是变压器的两个二次线圈变压器的两个二次线圈。而变压器式电变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。5.4 转换电路转换电路1 1、电桥电路、电桥电路UdEEC1C2U0RRC1C2U0Ud21212210ZZZZEZZZEEEUAjcj1Z11Ajcj1Z22 EU0变压器式变压器式和和0201ACAC电容动极板向一端的位移量，近似与压力F成正比：变极距型电容传感器F传感器其输出与压力传感器其输出与压力是线性关系。是线性关系。KFEU0KF电阻式电阻式2

10、121d221dd0ZZZZ2UZZZU2UU2UUd0KFKF2UUd0传感器其输出与压力传感器其输出与压力差是线性关系。差是线性关系。2 2、 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器的非线性。其原理如图-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。uCCuCjCjuxx1)(10/ )( SSuCu0将Cx = 代入上式得/ )S(Cx5. 5 应用1.电容式加速度传感器电容式加速度传感器 图为差动式电容加速度传感器结构图。 它有两个固定极板（与

11、壳体绝缘）, 中间有一用弹簧片支撑的质量块, 此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。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。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。两两个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, 一个增加, 一个减小, 从而使C1、 C2产生大小相等, 符号相反的增量, 此增量正比于被测加速度。2. 电容式液位计电容法测液位原理 两个同轴的金属圆筒组成电容，空筒时（介 质为空气）的电容量为：)/ln(200rRLC 当一部分容积被液体挤占后，变成两节电容并联，电容量为： 电容量的变化值： )r/Rln(h)r/Rln()hL(C1022RrLhRr)/(ln2)/(ln2)/(ln)(20100rRLrRhrRhLCCC)/ln()(201rRh电容量的变化值电容量的变化值差动电容3.电容式压力（差）传感器电容式压力（差）传感器被测压力p1、p2分别作用于两个隔离膜片上，通过硅油将压力传递给测量膜片（金属薄板）。测量膜片作为差动可变电容的活动电极，两个固定电极是在凹形玻璃上真空蒸发金属形成。 在压差的作