传感器原理及检测技术-第4章-电容式传感器原理及其应用-B课件

1、3. 双T形电桥电路双T型电桥连接 正半周 负半周双T形电桥电路如图所示，高频电源u提供幅值为U的方波。 4. 运算放大器式测量电路 运算放大器式测量电路的原理图如图所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很高，可认为是一个理想运算放大器。则输出电压为：可见，运算放大器的输出电压 与极板间距离 成线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求运算放大器的开环放大倍数和输入阻抗都足够大。理想运算放大器的开环放大倍数 ，且输入阻抗 。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容 值稳定。当传感器未工

2、作时，振荡频率为：用调频电路作为电容式传感器的测量电路具有下列特点：（1）抗干扰能力强，稳定性好；（2）灵敏度高，可测量 级的位移变化量；（3）能获得高电平的直流信号，可达伏特数量级；（4）由于输出为频率信号，易于用数字式仪器进行测量，并可以和计算机 进行通信，可以发送、接收，能达到遥测遥控的目的。 （6）差动脉冲宽度调制电路 差动脉冲宽度调制电路如图所示，它是利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量的变化而变化，再通过低通滤波器得到相应被测量变化的直流信号。差动脉冲宽度调制电路产生的电路中各点电压波形如图所示。4.3 电容式传感器的特点及设计改善措施1.电容传感器的优缺点（

3、1）电容式传感器的优点温度稳定性好：电容式传感器常用空气等气体作为绝缘介质，介质本身的发热量非常小，可忽略不计。因此，只需要从强度、温度系数等机械特性进行考虑，来合理选择材料和几何尺寸。阻抗高、功率小，需要输入的动作能量低：电容式传感器由于带电极板间的静电吸引力极小，因此所需要的输入能量也极小，特别适用于低能量输入的测量。动态响应好：电容式传感器由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。结构简单，适应性强：电容式传感器结构简单，易于制造；能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强。 2. 电容式

4、传感器的设计改善措施 电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的；（1）消除和减小边缘效应边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低，而且在测量中会产生非线性误差，应尽量减小或消除。适当减小电容式传感器的极板间距，可以减小边缘效应的影响，但电容易被击穿且测量范围受到限制。一方面，可采取将电极做得很薄，使之远小于极板间距的措施来减小边缘效应的影响。另一方面，可在结构上增加等位保护环的方法来消除边缘效应，如图所示。（a）电容器的边缘效应 （b）带有等位环的平板式电容器等位环消除电容边缘效应原理图（3）减小或消除寄生电容的影响 寄生电容可能比传感器的电

5、容大几倍甚至几十倍，影响了传感器的灵敏度和输出特性，严重时会淹没传感器的有用信号，使传感器无法正常工作。因此，减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关键。通常可采用如下方法： 增加电容初始值：增加电容初始值可以减小寄生电容的影响。采用减小电容式传感器极板之间的距离，增大有效覆盖面积来增加初始电容值。 采用驱动电缆技术：驱动电缆技术又叫双层屏蔽等电位传输技术，它实际上是一种等电位屏蔽法。 采用运算放大器法：运算放大器法的原理如图所示。它利用运算放大器的虚地来减小引线电缆寄生电容 。 运算放大器法电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层接仪器地，这时与传感器电容相并联的

6、为等效电缆电容 ， 为运算放大器的开环放大倍数，因而大大减小了电缆电容的影响。4.4 电容式传感器的应用 电容式传感器的应用非常广泛，它可用来测量液位和物位、压力、加速度、直线位移、角度和角位移、厚度、振动和振幅、转速、温度、湿度及成分等参数。1. 电容式压力传感器下图所示是典型的差动电容式压力传感器。其主要结构为一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。例1：差动电容式压力传感器电容式压力传感器常用来测量气体

7、或液体的压力，其外形结构如图所示。 2.电容式加速度传感器 差动电容式加速度传感器主要由两个固定极板（与外壳绝缘）和一个质量块组成，中间的质量块采用弹簧片来进行支撑，它的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。电容式传感器还可以用于测量振动位移，以及测量转轴的回转精度和轴心动态偏摆等，属于动态非接触式测量，如图所示。 （a）振幅测量 （b）轴的回转精度和轴心偏摆测量电容式传感器在振动位移测量中的应用图（a）中电容传感器和被测物体分别构成电容的两个电极，当被测物发生振动时，电容两极板之间的距离发生变化，从而改变电容的大小，再经测量电路实现测量。图（b）所示电容传感器中，在旋转轴外侧相互垂直的位置放置

8、两个电容极板，作为定极板，被测旋转轴作为电容传感器的动极板。测量时，首先调整好电容极板与被测旋转轴之间的原始间距，当轴旋转时因轴承间隙等原因产生径向位移和摆动时，定极板和动极板之间的距离发生变化，传感器的电容量也相应的发生变化，再经过测量转换电路即可测得轴的回转精度和轴心的偏摆。传感器的电容量可表示为：可见，电容器的电容量与被测液位高度成线性关系，且两种介质的介电常数相差越大、容器的内径与电极的直径相差越小，传感器的电容变化量就越大，灵敏度就越高。由于被测对象的性质不一样，不同介质的导电性能不相同，电容式液位传感器在不导电液体和导电液体的液位测量过程中，其结构也会有差别，如图所示。电容式液位传

9、感器的结构下图所示为电容式传感器在油箱液位检测中的应用 （5）电容式测厚传感器 电容式传感器测厚的原理如图所示。在被测带材的上下两侧各装设一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样两极板与带材之间形成两个独立电容。若带材的厚度变化，将引起电容的变化，再用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由显示仪表显示出带材厚度的变化，从而实现带材厚度的在线检测。下图所示为电容式测厚传感器在板材轧制装置中的应用电路。两块极板用导线连接成一个电极，而板材就是电容的另一个电极，其总电容为：电容式测厚传感器应用电路（1）电容式键盘常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，电容式键盘的原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，以实现信息的转换。（2）指纹识别