第4章电容传感器-PPT课件

1、第四章 电容传感器第一节 工作原理与类型第二节 转换（测量）电路第三节 电容式传感器的误差分析第四节 电容式传感器的应用第五节 电容式集成传感器电容传感器优点： 测量范围大，相对变化量可大于100; 灵敏度高，分辨率高； 动态响应时间短； 机械损失小； 结构简单，适应性强，可非接触测量。缺点： 寄生电容影响较大，降低了测量灵敏度； 与传感器联接的线路较复杂。1.变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+S 当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。电容式传感器2

2、 分类 电容式传感器 c) 介质变化型a) 极距变化型;+b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.+第一节 工作原理与类型一、工作原理 两个金属板间的电容为 二、类型1. 变极距（）型电容传感器2. 变面积（S）型电容传感器3. 变介电常数（）型电容传感器？电容传感器的结构形式1. 变极距（）型电容传感器电容微位移计忽略高次项1. 变极距（）型电容传感器灵敏度：线性度：1. 变极距（）型电容传感器 由上面两式知，0减少可使灵敏度K增大，但非线性误差也增大。因此常采用差动式结构，以提高灵敏度，减少非线性误差。差动变极距（）型电容传感器差动变面积（S）型电容传感器2.变面积（S）型电

3、容传感器.角位移式当转角 时： 当转角 时： 灵敏度.直线位移式极板起始遮盖长度初始时当其中一个极板移动距离为x时，灵敏度.圆柱形设r1、r2为内、外圆筒半径，忽略边缘效应，内外筒间的电容值为：l 为有效长度3.变介电常数()型电容传感器.电容液位计 C与液位高度h1成正比.用于测量厚度或介电常数的变介质传感器可见，这是一个非线性传感器。d为两电极板之间的间距，d1为被测电介质的厚度，极间空气介质的厚度为d0=dd1 一、测量电桥 1、单臂桥 第二节 转换（测量）电路（1）初态时：电桥调整到平衡状态，此时C1C3=C2CX，Uo=0。 （2）工作时：CX发生变化，电桥不平衡；即CX变化一个CX

4、，则电桥输出Uo，电容变化量越大，电桥输出电压越大，输出电压能线性反映电容量的变化。 2. 差动桥 （1）初态时：两传感器电容C1=C2=C0， C1= C2= C=0，（1）初态时：两传感器电容C1=C2=C，此时电桥空载输出，即电桥处于平衡状态。 （2）工作时 ：工作时传感器两电容值发生等值反向变化，电桥失去平衡；且电容变化量C越大，不平衡电桥输出电压Uo也越大，两者亦呈线性关系。 电桥电路特点：1. 接高频正弦电源；2. 输出阻抗高（一般可达几兆欧到几十兆欧），输出电压低，必须在输出端后接高输入阻抗、高电压放大倍数的集成运算放大器。第二节 转换（测量）电路二、运算放大器测量电路二、运算放

5、大器测量电路C0为固定电容，Cx为传感器电容，R1和R2为平衡电阻，Rw为调零电位器 解得三、差动脉冲调宽电路基本RS触发器S R Q n+10 0 不定0 1 11 0 01 1 不变三、差动脉冲调宽电路三、差动脉冲调宽电路设若（1）变d型 对于变d型差动电容传感器，传感电容的大小与极间距离d成反比，此时差动输出电压平均值可改写为 即对应于C1=C+C，C2=CC，此时d1=dd，d2=d+d。 （2）变S型 对于变S型差动电容传感器，传感电容的大小与极板的有效面积S成正比，即对应于C1=C+C，C2=CC时，S1=S+S，S2=SS，此时差动输出电压平均值可改写为 第三节 电容式传感器的误

6、差分析 一、温度影响1. 温度对结构尺寸的影响 温度主要影响传感器的结构尺寸。当温度上升时，电容器极板的面积将增大，极板的厚度增加导致极间距离减小，使电容量增加。补偿措施： 选择温度系数小的金属材料作电容器极板；采用差动结构。2、温度对介质介电常数的影响 电容器极板间的介值应选择介电常数较稳定的材料，如云母。二、电容电场的边缘效应补偿措施：增加电容器极板面积、减小极间距离、加装等电位环等。三、寄生与分布电容的影响补偿措施： 缩短传感器到测量电路前置级的距离； 驱动电缆法； 整体屏蔽法第四节 电容式传感器的应用一、电容式差压变送器二、电容式测微仪三、电容式液位计电容式液位计探头结构图作业题：1.若有一单组式变面积型平板型线位移电容传感器，两极板相互覆盖宽度为4mm，两极板的间隙为0.5mm，极板间介质为空气，试求其静态灵敏度？若极板相对移动2mm，求电容变化量？2.对变极距式电容传感元件，若初始极板间距为0=1mm，当