传感器技术和应用

2023/4/211第4章电容式传感器2023/4/212引言电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器。结构简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作。很有发展前途的传感器。2023/4/2134.1电容式传感器工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式3种类型。 2023/4/2144.1变面积式电容传感器面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。2023/4/215面积变化型电容传感器原理1.直线位移型2023/4/216面积变化型电容传感器原理2.角位移型2023/4/217面积变化型电容传感器原理3.圆筒型2023/4/2184.1.2变极距式电容传感器当改变电容器两极板间的距离时，电容器的电容也会发生变化。2023/4/219（a）为平板形位移电容传感器。设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx也随之改变。电容的相对变化量和灵敏度为

2023/4/2110差动结构形式提高测量精度，减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差。2023/4/21114.1.3变介质式电容传感器介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。2023/4/2112介质变化型电容传感器结构1.位移型2023/4/2113介质变化型电容传感器结构2.液位型2023/4/2114结论传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面h成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h。

当电容传感器处于初始位置时，电桥平衡，电桥输出电压

；当被测量的变化引起电容传感器的电容发生变化时，电桥失去平衡，电桥有电压输出，即

。2023/4/21154.2电容式传感器的测量电路常用电路有:电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。1.电桥电路。

2023/4/21164.2电容式传感器的测量电路1.电桥电路

为了提高灵敏度，减小误差，常采用差动形式，其电路如图所示。Cx1和Cx2表示差动式电容传感器的两个电容。2023/4/21174.2电容式传感器的测量电路1.电桥电路--电桥测量电路框图2023/4/21184.2电容式传感器的测量电路2.二极管双T形交流电桥二极管双T形交流电桥电路原理如图4-12所示。图中，C1、C2为差动电容式传感器的电容，RL为负载电阻，VD1、VD2为理想二极管，R1、R2为固定电阻；e为高频电源，它提供幅值为Ue的对称方波。

2023/4/21194.2电容式传感器的测量电路3.运算放大器式测量电路

运算放大器的特点就是放大倍数A很大，输入阻抗也很大。理想的运算放大器的放大倍数和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这些特点就可作为电容式传感器的测量电路，来解决单个变极距式电容器传感器的非线性问题。运算放大器式测量电路如图所示。图中，C为总的输入电容，Cx是电容传感器。2023/4/21204.2电容式传感器的测量电路4.调频电路:把电容式传感器作为振荡器谐振电路的一部分，其部分电路如图所示。当被测量引起电容量变化时，振荡器的振荡频率就会发生变化，然后通过鉴频器把频率的变化转换为幅值的变化，再经过放大后就可以通过仪表显示出来。

调频电路具有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化量。易于用数字仪器测量，并能与计算机通讯，抗干扰能力强。2023/4/21214.2电容式传感器的测量电路5.谐振电路:振荡器提供稳定的高频信号通过L1、C1回路选频，再通过电感耦合到LCx谐振回路。当传感器电容Cx发生变化时，则引起谐振回路阻抗的变化，而这个变化会使整流器的电流发生变化。变化的电流再经放大器放大后就可通过仪表显示被测量的变化。

谐振电路的灵敏度较高，但工作点不易选择，变化范围较窄。2023/4/21224.2电容式传感器的测量电路6.脉冲宽度调制电路

2023/4/21234.3电容式传感器的误差及制作要求4.3.1电容式传感器的误差因素1.温度的影响3.寄生电容的影响2.漏电阻的影响2023/4/21244.3电容式传感器的误差及制作要求4.3.2电容式传感器的制作要求1）传感器的电容值要尽量的大些。目的在于降低输出阻抗及对绝缘材料的要求，提高灵敏度。（2）要采用介电常数大的电介质材料。（3）要选用膨胀系数小的材料作为电极。目的在于减小温度附加误差。（4）要求电源的频率不应过低。目的在于减小输出阻抗，提高灵敏度。一般不应小于500～1000Hz。（5）要求传感器及引线要采用屏蔽措施。目的在于消除寄生电容的影响，提高灵敏度。2023/4/21254.4电容式传感器的应用电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。2023/4/21264.4.1电容式压力传感器电容式压力传感器是将由被测压力引起的弹性元件的位移变化转变为电容的变化来实现测量的。2023/4/21274.4.2电容式加速度传感器电容式加速度传感器是将被测物的振动转换为电容量变化，其结构示意图如图4-19所示2023/4/21284.4.3电容式湿度传感器电容式湿度传感器是通过改变传感器中电介质的介电常数，从而引起电容量的变化来实现测量的。2023/4/21294.4.4电容式荷重传感器电容式荷重传感器是利用弹性元件的变形，致使电容随外加载荷的变化而变化。2023/4/21304.4.5电容式厚度传感器1.电容式测厚仪2023/4/21314.4.5电容式厚度传感器2.电容式厚度传感器2023/4/21324.4.6电容式位移传感器电容式位移传感器就是通过改变电容器极板间的距离引起电容量的变化来实现测量的。通常采用的是一种单极变极距式。2023/4/21334.5电容栅式传感器电容栅式传感器是在电容式传感器基础上发展起来的一种传感器。它具有电容式传感器的优点，当然它也有其自身的特点，如抗干扰能力强、精度高和量程大等特点。2023/4/21344.5.1基本类型及原理1.基本类型及原理2023/4/21354.5.1基本类型及原理2.电容栅极片的结构形式（a）动尺2023/4/21364.5.2测量电路电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电路，以得到调幅或调相信号。2023/4/21374.5.2测量电路电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电路，以得到调幅或调相信号。2023/4/2138附：电容式接近开关1—检测极板2—充填树脂3—测量转换电路4—塑料外壳

5—灵敏度调节电位器6—工作指示灯7—信号电缆2023/4/2139工作过程（1）检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量C非常小，它与电感L构成高品质因数（Q）的LC振荡电路，Q=1（ωCR）。当被检测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）时，检测极板对地电容C增大，LC振荡电路的Q值将下降，导致振荡器停振。2023/4/2140工作过程（2）当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效电容量增大，使LC振荡电路的