第5章 电容式传感器

传感器原理及应用

第5章电容式传感器主要内容：5.1电容传感器工作原理和类型5.2电容传感器输出特性5.3电容传感器测量电路5.4电容式传感器的应用举例传感器原理及应用第5章

电容式传感器概述传感器原理及应用第5章

电容式传感器电容式传感器的特点是：小功率、高阻抗;本身发热影响小;

电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗;

静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；可进行非接触测量。

传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。概述传感器原理及应用第5章

电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器概述传感器原理及应用第5章

电容式传感器电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度5.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用第5章

电容式传感器

电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，

电容器C可以通过改变

S—

面积，称变面积型传感器

—

距离，称变极距型传感器

—

介质，称变介质型传感器5.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用第5章

电容式传感器变极距型传感器5.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用第5章

电容式传感器变面积型传感器5.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用第5章

电容式传感器变介质型传感器5.2电容传感器输出特性1变极距型（σ）

传感器原理及应用第5章

电容式传感器初始电容

当减小时电容C增加

σεΔσC0σσCΔC传感器原理及应用第5章

电容式传感器当时，用泰勒级数展开

电容相对变化5.2电容传感器输出特性

1变极距型（σ）传感器原理及应用第5章

电容式传感器忽略高次项5.2电容传感器输出特性

1变极距型（σ）

传感器灵敏度5.2电容传感器输出特性

1变极距型（σ）传感器原理及应用第5章

电容式传感器讨论：要提高传感器灵敏度K应减小初始极距，但初始极距受电容击穿电压限制；非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移；起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。5.2电容传感器输出特性

1变极距型（σ

）传感器原理及应用第5章

电容式传感器差动结构的电容特征方程式为：εσ２Ｃ１Ｃ２σ１上静片下静片动片5.2电容传感器输出特性

1变极距型（σ

）传感器原理及应用第5章

电容式传感器电容的相对变化量

电容特征方程忽略高次项得：

电容的总的变化量5.2电容传感器输出特性1变极距型（σ）传感器原理及应用第5章

电容式传感器结论：差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，非线性误差减小（多乘因子）。

传感器（差动式）灵敏度

相对非线性误差为

5.2电容传感器输出特性

2变面积型（S）

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

平板电容：当动极板移动ΔX后两极板间电容量为：初始电容电容的相对变化量

5.2电容传感器输出特性

2变面积型（S）

传感器原理及应用第5章

电容式传感器结论：变面积式电容传感器灵敏度K为常数；输出特性为线性；适合大位移测量。

平板变面积型电容传感器灵敏度5.2电容传感器输出特性

3

变介电常数式（ε）

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之间的关系为：变介电常数式电容传感器分几种情况：测介电常数；测厚度dεdσ动片5.2电容传感器输出特性

3变介电常数式（ε

）

传感器原理及应用第5章

电容式传感器d为运动介质的厚度，d保持不变，改变可作为介电常数的测试仪器。

介电常数保持不变，d改变，可作为测厚仪器。5.2电容传感器输出特性

3变介电常数式（ε

）

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

测液位高度（根据液体容器的形状计算）5.3测量电路1.电容传感器的等效电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。电容传感器的等效电路包括:

传输线的电感L0、电阻R（小）;

传感器电容C0，A、B两端分布电容Cp，极板等效漏电阻Rg。5.3测量电路1.电容传感器的等效电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

驱动电缆技术：提高电容传感器的稳定性，克服寄生电容耦合，原理是：连接电缆采用双层屏蔽内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。从而消除引线与内屏蔽之间的电容。5.3测量电路1.电容传感器的等效电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电，从而消除寄生电容的影响。

运算放大器驱动法5.3测量电路2.电桥电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。

单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容相匹配；差动式传感器是两个臂。

极板在中间位置时5.3测量电路2.电桥电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

输出与位移成理想线性关系

交流电桥的输出电压为：5.3测量电路2.电桥电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器交流电桥的多种形式5.3测量电路3.二极管双T型电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器VE高频对称方波电源，

D1、D2特性相同二极管

C1、C2传感器差动电容

R固定电阻，RL负载。一个周期内RL上的平均值电压：5.3测量电路3.二极管双T型电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器双T型电路工作原理分析正半周D1导通D2截止C1充电；负半周D1截止D2导通C2充电；一个周期内负载RL上输出电压URL与电源电压VE幅值、频率f有关;与电容的差值

(C1-C2)成正比5.3测量电路4．差动脉冲调宽电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器波形图

电路原理图传感器原理及应用第5章

电容式传感器

电路分析：双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。5.3测量电路4．差动脉冲调宽电路

电路组成：A1、A2比较器；双稳态触发器；

VD1、VD2与电阻；组成充放电回路；Uf参考直流电压；双稳态作输出；电容C1、C2为传感器差动电容。5.3测量电路5．运算放大器式电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器Cx传感器电容,Co固定电容输入端输出端设K为理想运放5.3测量电路5．运算放大器式电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：5.3测量电路5．调频电路

传感器原理及应用第5章

电容式传感器谐振曲线5.4电容式传感器的应用举例1.电容式料位计

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

用于水泥、化工、罐装等传感器静电容：

电容测深度、角度动画演示5.4电容式传感器的应用举例

2．电容式压力传感器传感器原理及应用第5章

电容式传感器

结构：测量膜片（金属弹性膜片）——

动片；两个玻璃球面上镀有金属——

定片；膜片两侧左右两定中充满硅油。工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，硅油能将压差传递到测量膜片，5.4电容式传感器的应用举例

2．电容式压力传感器传感器原理及应用第5章

电容式传感器

当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：

PH>PL时，膜片PL向弯曲，C1<C2，；

PH<PL时，膜片PH向弯曲，C1>C2；将这种电容变化通过电路转换为电压变化5.4电容式传感器的应用举例

2．电容式压力传感器传感器原理及应用第5章

电容式传感器

电容传感器盒膜结构片5.4电容式传感器的应用举例

3．电容测厚仪

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。5.4电容式传感器的应用举例

4．电容测位移

传感器原理及应用第5章

电容式传感器5.4电容式传感器的应用举例5.力平衡式加速度传感器

传感器原理及应用第5章

电容式传感器

力平衡式传感器是先将被测量转换成力或力矩然后用反馈力与它平衡的闭环传感器，可测加