第5章电容式传感器

第5章电容式传感器当前1页，总共67页。★优点：①高阻抗，小功率。②灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。③良好的动态特性。④结构简单，适应性强。⑤可进行非接触测量。⑥本身发热影响小。★缺点：①变间隙电容传感器非线性较严重。②输出阻抗很高。③寄生电容大。当前2页，总共67页。应用：

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。当前3页，总共67页。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当前4页，总共67页。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当前5页，总共67页。5.1电容式传感器的工作原理在忽略边缘效应时，平板电容器的电容为1平板电容器当前6页，总共67页。边缘效应：1）边缘效应产生的原因2）产生的后果:边缘效应将使电容量增大，灵敏度降低。+-图5-3边缘效应当前7页，总共67页。3）消除边缘效应的方法增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距。采用等位环的方法。图5-4消除边缘效应当前8页，总共67页。

d

—

距离，称变极距型传感器

S—

面积，称变面积型传感器

ε—

介质，称变介质型传感器变极距型传感器按电容器参数变化特性分类电容器C可以通过改变

5.2电容式传感器的结构类型及主要特性当前9页，总共67页。变面积型传感器当前10页，总共67页。变介质型传感器当前11页，总共67页。5.2.1变极距型平板电容式传感器设动极板未移动时极板间距为d0,初始电容量为：（）当前12页，总共67页。极板2上移∆d：电容的相对变化量为：（）（）当前13页，总共67页。略去非线性项，得：所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足Δd<<d0的条件。且一般Δd只能在极小的范围内变化。一般取∆d/d=0.02~0.1。级数展开（）（）当前14页，总共67页。非线性误差与Δd/d0有关。其表达式为：式（）略去二次方以上各项，得（）图5-5变间隙式传感器的非线性当前15页，总共67页。传感器的灵敏度为：（）说明:1）灵敏度K与极距d0的平方成反比。2)为了提高灵敏度，减小非线性，常采用差动电容式传感器.

当前16页，总共67页。d0越小，灵敏度越高。d0过小，容易引起电容击穿或短路。

采取的措施：可在极板间放置云母片或其它介电常数高的材料。图5-6极板间放置云母片当前17页，总共67页。图5-7差动电容式传感器差动电容式传感器当前18页，总共67页。动极板上移∆d时：初始位置时，（）（）当前19页，总共67页。（）（）（）当前20页，总共67页。提高一倍减小略去高次项：电容量的相对变化为：非线性误差为：灵敏度：（）（）（）（）当前21页，总共67页。板状线位移变面积型

当动极板沿箭头所示的方向移动△x时，其电容量为传感器的灵敏度为图5-8变面积式板状线位移5.2.2变面积型电容传感器当前22页，总共67页。说明:传感器的输出呈线性;增大b,减小d0，可提高灵敏度，但是b值的增大受结构的限制。而d值也不可能太小，否则有可能引起电容的击穿或短路，同时加工难度加大;x不能太小，否则边缘效应影响增大，引起非线性。

当前23页，总共67页。初始电容C0为：当内筒上移△x时，内外筒间的电容C1为：rRl△x同心圆筒形线位移电容式传感器图5-9变面积式筒状线位移当前24页，总共67页。

电容量的相对变化为：灵敏度为：可见，其输出与输入成线性关系，灵敏度是常数，但与极板变化型相比，圆柱式电容传感器灵敏度较低，但其测量范围更大。PartA电容式传感器当前25页，总共67页。θ定片动片角位移式灵敏度：电容量的相对变化为：变面积型角位移当前26页，总共67页。串联：5.2.3变介电常数型电容传感器a)平板结构

并联：当前27页，总共67页。CC2C1(b）圆筒式液位传感器初始电容图5-12液位传感器2r22r1hhx当前28页，总共67页。与被测液位hx成线性关系。图5-12液位传感器2r22r1hhx当前29页，总共67页。1、变间距式电容传感器适用于测量微小位移是因为()

A.电容量微弱、灵敏度太低B.传感器灵敏度与间距平方成反比，间距变化大则非线性误差大C.需要做非接触测量2、变间距（d）型平板电容传感器，当d0=1mm时，若要求测量线性度为0.1%，求允许间距测量的最大变化量是多少？练习题当前30页，总共67页。3、已知变面积型电容传感器的两极板间距离为10mm，ε=50μF/m，两极板几何尺寸一样，为30mm×20mm×5mm,在外力作用下，其中动极板在原位置上向外移动了10mm，已知真空时的介电常数ε0=8.854×10-12F/m，试求△C=？K=？当前31页，总共67页。常用典型的测量电路有以下几种:1）调频电路2)运算放大器式电路3)电桥电路4)脉冲宽度调制电路5.3电容式传感器的测量电路

当前32页，总共67页。5.3.1调频测量电路电容式传感元件作为LC振荡器谐振回路的一部分，振荡器振荡频率当电容传感器工作时，电容C发生变化，使振荡器的频率f发生相应的变化△f。当前33页，总共67页。5.3.2运算放大器式电路

1）优点：改善单个变极距型电容式传感器特性的非线性关系2）原理：如图所示图5-17运算放大器式电路当前34页，总共67页。电路假设条件：（1）运算放大器增益非常高，输入电压若不使放大器饱和。“虚地”（2）放大器的输入阻抗很高。-===x0xx0iIICjIUCjIU&&&&&&wwo0

0oxiCCUU&&-=当前35页，总共67页。（3）注意①输出Uo与动极片位移d成线性关系是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。②Uo与电源电压Ui、固定电容C0及电容式传感器的ε、A等有关，任何这些参数的波动都将使输出特性产生误差，因此固定电容C0必须稳定，且需要高精度的交流稳压源。③由于电容传感器的电容小，容抗很高，故传感器与放大器之间的联结，需要有屏蔽措施。当前36页，总共67页。1.阻容电桥5.3.3电桥电路图5-14阻容电桥电路原理当前37页，总共67页。2.变压器电桥图5-15变压器电桥电路原理当前38页，总共67页。将阻抗表达式代入上式得

当动极板移动Δd时，则有电桥的输出电压为:输出与位移成理想线性关系当前39页，总共67页。3.二极管双T型交流电桥当传感器没有输入时，

C1＝C2一个周期内流过负载的平均电流为0电源正半周电源正半周电源正半周电源负半周当前40页，总共67页。3.二极管双T型交流电桥当传感器有输入时，C1≠C2在负载和电源确定的情况下，输出电压只与电容的差值有关。该测量电路的优点：电路简单，无需相敏检波和整流电路，便可得到较高的直流输出电压。输出信号的上升时间取决于负载电压，可用于测量高速机械运动。当前41页，总共67页。5.3.4差动脉宽调制电路图5-16差动脉冲调宽电路当前42页，总共67页。tuA0U1uB0U1tuABU1-U10tUMUf0T1t0tUNUfT2uAB-U1U10t0tUNUfT20tuBU1UMUfT10t差动脉冲调宽电路各点电压波形图0tuAU1当前43页，总共67页。根据电路知识可知：UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2—分别为C1和C2的充电时间；U1—触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间T1、T2为：当前44页，总共67页。A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差，设R1＝R2＝R，则说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。当前45页，总共67页。对于差动式变极距型电容传感器：对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为ΔS，则滤波器输出为：当前46页，总共67页。结论：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。当前47页，总共67页。5.4.1温度变化对结构稳定性的影响1.温度变化引起传感器特性结构变化引起电容式传感器各组成零件尺寸改变，与组成零件的几何尺寸及零件材料的线膨胀系数有关。补偿：在结构设计中应尽量减少热膨胀尺寸链的组成环节数目及其尺寸；选用膨胀系数小，几何尺寸稳定的材料。采用差动对称结构并在测量线路中对温度误差加以补偿。2.温度变化引起介质介电常数的变化。5.4电容式传感器的结构及抗干扰问题当前48页，总共67页。寄生电容分布电容：电容极板与周围物体（元器件、人体等）之间产生的一个电容。：电容引线与大地之间的电容。消除克服方法：1）静电屏蔽（消除寄生电容）：传感器放入金属壳体内；2）引线采用屏蔽线且屏蔽线外层良好接地；3）采用驱动电缆技术。5.4.2寄生电容当前49页，总共67页。驱动电缆法（等电位屏蔽法）当前50页，总共67页。4、现有一只0-20mm的电容位移传感器，其结构如图（a）所示。已知L=25mm,R=6mm,r=4.5mm,其中圆柱C为内电极，A,B圆筒为两个外电极，D为屏蔽套筒，C、B构成一个固定电容CF,C、A构成一个随屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容CX,拟采用理想运放电路（如图b）,试回答：练习题当前51页，总共67页。（1）要求运放输出电压与输入位移x成正比，在运放线路中CF与Cx应如何连接？（2）屏蔽筒伸入1mm所引起的电容变化量为多大？（3）输入电压Usr=6V时，输出电压Usc为多少？（4）固定电容CF的作用何在？（5）传感器与运放线路的连接线对传感器的输出有无影响？当前52页，总共67页。图5-18球型差压传感器差动型凸玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极P例1电容式压差传感器P弹性膜片(动电极)固定电极图5-19平面型压力传感器单只变间隙型5.5

电容式传感器的应用当前53页，总共67页。hmaxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效电路当前54页，总共67页。例2

电容式称重传感器图5-20

电容式称重传感器电容式称重传感器的结构形式很多，基本原理都是利用弹性敏感元件受压后变形，引起电容随外加重量的变化而变化。称重时，弹性元件受力变形，使动极板发生位移，导致传感器电容量变化。配接调频式电路，就会引起振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码，传输到显示部分。绝缘材料定极板动极板极板支架弹性体当前55页，总共67页。图5-21

电容式称重传感器F在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小（误差平均效应）当前56页，总共67页。图5-22

电容式加速度传感器弹簧片定极板2质量块（动极板）定极板1绝缘体aC1C2m例3电容式加速度传感器当前57页，总共67页。例4

电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用图5-23

电容式传感器测钢板厚度当前58页，总共67页。图5-24电容式料位计1-金属电容；2-测量电极；3-辅助电极；4-绝缘套例5电容式料位计电容式料位计不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质如块状、颗粒状、粉状、导电性、非导电性的物料。但因固体摩擦力大，容易“滞留”，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。当前59页，总共67页。

电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化或掺有杂质时，会引起介电常数变化，产生测量误差。为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根辅助电极始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极(也称主电极)可以同轴，也可以不同轴。设辅助电极长L0，它相对于料位为零时的电容变化量为：当前60页，总共67页。主电极的电容变化量为Cx

，则有：由于L0是常数，因此料位变化仅与两个电容变化量之比有关，而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅助电极是相同的，相比时被抵消掉，从而起到误差补偿作用。当前61页，总共67页。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，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通例6电容式键盘过的条件。理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘，但工艺较机械结构复杂。

当前62页，总共67页。例7电容式油量表

当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（

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