传感器与检测技术第四讲1

1、 第二节 电容式传感器电容式传感器概述电容式传感器的工作原理电容式传感器的类型及特性电容式传感的测量电路电容式传感器的应用概述电容式传感器是被测量转换为电容量变化的一种传感器，它结构简单、灵敏度高，动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大、价格便宜，一般可用于测量压力、力、位移、振动、液位等。 容易实现非接触测量但其有泄露电阻和非线性。电容式传感器的工作原理设两极板相互覆盖的有效面积为A，两极板间的距离为d，极板间介质的介电常数为，在忽略极板边缘影响的条件下，平板电容器的电容C为：电容式传感器的类型及特性变面积式电容传感器变间隙式电容传感器变介电常数传感器电容式传感器分为三种：改变极板面积的变面

2、积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数型变面积式电容传感器变面积式电容传感器：下图为一直线位移型电容式传感器，当动极板移动x 后，覆盖面积就发生变化，电容也随之发生了变化，其值为：下图是变面积式传感器的几种派生形式图a是角位移电容式传感器，动片有一角位移时，电容为图b极板采用了齿形板，其目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。变介电常数型电容传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起电容量发生变化，下图为介质面积变化的电容式传感器。结构形式：平板形圆柱形变间隙式电容式传感器（一）原理：下图为变间隙式电容传感器的原理图。当活动板因被测参数的必变而引起移动时，两极板

3、间的距离d发生变化，从而改变两极板之间的电容C，设极板面积为A，其静态电容为C0=A/d，当活动极板移动x时，其电容量为：所以只有当xd时，才可认为是近似线性关系。要提高灵敏度，应减小起始间隙d，但d过小，容易引起击穿，要求加工精度高，所以一般是在极板之间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善。或采用差动式结构。问题：对于变间隙型电容传感器，由于它的灵敏度 ，要想提高传感器的灵敏度，可以采取什么办法？（在不改变、S的前提下），同时这种办法还对改善传感器的什么特性有帮助？（二）结构线位移型角位移型差动式电容传感器单组式传感器的输出特性差动式电容传感器的输出特性（以变间隙型为例进行分析）结论：差

4、动式结构可以大大地减小传感器的非线性误差；可以使传感器的灵敏度提高一倍；把差动式结构传感器接入桥路中，可以改善由温度等环境影响造成的误差。差动式电容传感器电容式传感器的测量电路用于电容式传感器的测量电路有： 电桥电路、调频电路、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调宽电路、谐振电路。普通交流电桥这种测量电路要求提供幅度和频率很稳定的交流电源，电桥放大器的输入阻抗很高、一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的510倍变压器电桥当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为电容电桥的主要特点有： 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、稳频等措施；通常处于不平衡工作状态

5、，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；输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。 调频电路：分为 直放式调频 外差式调频直放式调频外差式调频利用调频系统作为电容传感器的测量电路的优点：抗干扰能力强；特性稳定；利用 分离出来的振幅变化的测量信号，可以取得高电平的直流信号（伏特级）；由于是频率输出，输出信号为数字信号，因此可直接用数字仪表或计算机接口输出 。缺点:受温度和电缆电容的影响大。运算放大器式测量电路该电路的最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。 双T电桥电路其特点为：信

6、号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共接地点。二极管V1的V2工作在伏安特性的线性段。输出电压较高电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。可以用作动态测量。双T电桥电路的特点是：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。电容式传感器的应用电容式位移传感器电容式压力传感器电容式加速度传感器电容式液位传感器电容式荷重传感器电容式测厚仪电容式位移传感器1为测杆2为开槽片簧3为固定极筒4为活动极筒电容式压差传感器1为金属膜片（动片）2为玻璃