传感器原理与电路设计第11讲电容-电子电路-工程科技

前言电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。特点：结构简单、体积小、分辨率高；可实现非接触式测量；动态响应好；能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。前沿变面积型工作原理变介质型变极距型1.工作原理工作原理ε：极板间介质的介电常数；ε0

：真空介电常数；εr：极板间介质相对介电常数；A：两平行板所覆盖的面积；d：两平行板间的距离。变介质型变极距型变面积型前沿变面积型工作原理变介质型变极距型2.变面积型电容式传感器工作原理电容改变量与水平位移成线性关系线位移变面积型前沿变面积型工作原理变介质型变极距型2.变面积型电容式传感器工作原理电容改变量与角位移成线性关系角位移变面积型前沿变面积型工作原理变介质型变极距型3.变介质型电容式传感器工作原理电容增量与被测液位的高度成线性关系相当于C1和C2并联前沿变面积型工作原理变介质型变极距型4.变极距型电容式传感器工作原理电容增量与极板间距离的变化成近似直线关系或泰勒展开前沿变面积型工作原理变介质型变极距型4.变极距型电容式传感器工作原理击穿或短路问题一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。d0越小传感器灵敏度越高，过小容易击穿或短路。可在极板件加入高介电常数的云母材料。相当于电容串联。前沿变面积型工作原理变介质型变极距型4.变极距型电容式传感器工作原理非线性问题分析同变磁阻式电感式传感器为了提高灵敏度减小非线性误差，通常采用差动结构前沿变面积型工作原理变介质型变极距型1.调频电路测量电路电容式传感器的电容值及电容变化值都十分微小，必须借助信号调节电路才能将其转换成与其成正比的电压、电流或频率，从而实现显示、记录和传输。相应的测量电路有调频电路、运算放大器、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。调频测量电路原理是将电容作为振荡器谐振回路的一部分调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路2.运算放大器测量电路虚地：U+=U-=0高阻抗：Ii=0对平板电容器输出电压与输入位移间存在线性关系能克服变极距型电容传感器的非线性调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路3.二极管双T型交流电桥测量电路过负载的平均电流不为0，RL上必有信号输出，其输出在一个周期内的平均值为：当传感器没有输入时，C1＝C2，I1＝I2，一个周期内流过负载的平均电流为0；当传感器有输入时，C1≠C2，I1

≠

I2，一个周期内流

特点：输出信号的上升时间取决于负载电阻RL，非常快，可用于测量高速机械运动。调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路4.脉冲宽度调制电路测量电路双稳态触发器输出电阻可忽略；二极管反向电阻无穷大；（近似线性）调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路4.脉冲宽度调制电路测量电路调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路4.脉冲宽度调制电路测量电路调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路4.脉冲宽度调制电路测量电路1.对于变极距型可见，uo与Δd为线性关系调频电路二极管双T型交流电桥运算放大器脉冲宽度调制电路4.脉冲宽度调制电路测量电路2.对于变面积型可