第5章 电容式传感器3

第五章电容式传感器

电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。用两块金属平板作电极可构成电容器，其电容C为Sδε本章内容：5.1变极距型电容传感器

5.2.变面积型电容传感器5.3变介电常数型电容传感器5.4转换电路5.5应用5.1变极距型电容传感器

极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，(C0—极距为时的初始电容量).其电容变化量ΔC为δ21

该类型电容式传感器存在非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度常作成差动式结构.CC0C-特性曲线变极距型电容传感器F变极距型电容传感器的灵敏度定义为变极距型电容传感器的灵敏度是极板间隙的函数，间隙越小，灵敏度越高。但间隙越小，容易引起电容击穿。.5.2变面积型电容传感器原理

1.直线位移式电容传感器当动极板移动x后，面积A就改变，则电容也随着改变.xb

这种形式的传感器其电容量C与水平位移x是线性关系。2.角位移式电容传感器

当动极板有一角位移时，就改变了两极板间的遮盖的面积。电容量就随之改变。当θ=0时当θ不等于零时电容与角位移之间为线性关系

3.圆柱式电容传感器

由于平板形传感器的可动极板稍向板间距方向移动时，将影响测量精度，变面积型电容传感器常作成圆柱形。L为外圆筒与内圆柱覆盖的长度r2r1传感器其电容量C与水平位移ΔL是线性关系。当两筒没有位移时，电容量为当两筒相对位移△L时，电容量为L当两筒相对位移△L时，电容变化量为3、变介电常数型电容传感器

变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。1.单组式平板形厚度传感器传感器的电容量与被测厚度的关系根据等效电路推出：δx厚度传感器C1C2C3C2.单组式平板线位移传感器a、b、x:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；ε1空气的介电常数ε2:被测物介电常数。

lcBd1d2CACBCcAxbε1ε2C1C2传感器的电容量与位移为线性关系3.液位传感器

图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。电极引线h为外圆筒与内圆柱覆盖的高度，ε为被测物的介电常数，hx为被测液面的高度内筒外径为r1,外筒内径为r2。C1CC2h2r12r2hx可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。

设:例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr

＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内时传感器的灵敏度(pF/L)解：传感器电容量C与被测液位高度H成线性关系。H=1.2m时传感器的电容最大H=0传感器的电容最小储存罐的容积为：传感器的灵敏度：

将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。5.4转换电路1、电桥电路UdEEC1C2U0RRC1C2U0Ud变压器式电容动极板向一端的位移量Δδ，近似与压力F成正比：变极距型电容传感器F传感器其输出与压力是线性关系。电阻式传感器其输出与压力差是线性关系。2、运算放大器式电路其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图-A～uoCCxu∑运算放大器式电路原理图

负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。将Cx=代入上式得5.5应用1.电容式加速度传感器

图为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘）,中间有一用弹簧片支撑的质量块,此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。原理：当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时。两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化,一个增加,一个减小,从而使C1、C2产生大小相等,符号相反的增量,此增量正比于被测加速度。2.电容式液位计电容法测液位原理两个同轴的金属圆筒组成电容，空筒时（介质为空气）的电容量为：

当一部分容积被液体挤占后，变成两节电容并联，电容量为：

电容量的变化值：

RrLhRr电容量的变化值与液位高度成正比。差动电容3.电容式压力（差）传感器

被测压力p1、p2分别作用于两个隔离膜片上，通过硅油将压力传递给测量膜片（金属薄板）。测量膜片作为差动可变电容的活动电极，两个固定电极是在凹形玻璃上真空蒸发金属形成。

在压差的作用下，两个电容器的电容量一个增大一个减小，测量两个电容的变化量即可知道压