CH电容式传感器

学习要求：1、掌握变极距、变面积、变介质电容式传感器的工作原理，特点及应用。2、熟悉常用电容式传感器的常用检测电路及特点。3、学习应用电容式传感器。

第三章电容式传感器5/19/202315/19/20232电容式传感器电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或/和被测物）就是一个可变电容器。

被测量的变化电容式传感器电容量的变化

被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成份分析等,精度可达0.01%，250mm量程可达5um。电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，是很有发展前途的。5/19/202333.1电容式传感器的工作原理和结构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，其电容量为式中:ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；

S——两平行板所覆盖的面积；

d——两平行板之间的距离。+++dS5/19/202343.1电容式传感器的工作原理及类型当被测参数变化使得式中的S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。保持其中两个参数不变，而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。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。其中变极距型和变面积型应用较广。++++++5/19/20235图4-1电容式传感元件的各种结构形式图(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)为变面积型，图(a)和(e)为变极距型，图(i)～(l)则为变介电常数型。5/19/202365/19/20237驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。5/19/20238

3·2·1变极距电容式传感器

当电容器板间极距d缩小Δd，电容器增大ΔC。

可见ΔC与Δd并不是纯粹线性关系。当Δd<<d时，，

灵敏度可见在d越小时灵敏度越高。在测量微小量变化时，可以近似认为

3.2电容式传感器的灵敏度及非线性5/19/20239变极距电容式传感器在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以很大，从而使传感器灵敏度提高。d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可部分采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如下图，5/19/202310式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7；

ε0——空气的介电常数，ε0=1；

d0——空气隙厚度；

dg——云母片的厚度。此时电容C变为：5/19/202311电介质材料的相对介电常数5/19/202312云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，dg/ε0εg项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。一般变极距电容式传感器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。5/19/202313实际应用中，常常采用差动型电容式传感器。

作用：改善非线性，提高灵敏度，减少外界因素影响。差动型电容式传感器5/19/2023143.2.2变面积型直线位移测量5/19/2023152、角位锦移量5/丈18胞/2转02洪3163、圆柱喇型位疲移量5/趟18猾/2凭02膨3173.剃2.哲3变介彼质型机电容炕式传世感器5/擦18丧/2拣02应318式中压：ε——空气农介电碎常数壮；介C0——变换梨器初莲始电惜容值,即3.垒2.宣3变介崭质型屿电容软式传键感器如图浅是一区种变茅极板踪蝶间介帆质的妥电容穗式传锦感器异用于序测量狸液位俊高低秆的结稿构原姜理图述。设殖被测踏介质作的介透电常助数为ε1，液吊面高浪度为h,变换叨器总港高度翅为H，内晚筒外恳径为d，外竞筒内扯径为D，此符时变旦换器象电容脖值为5/缎18沟/2刷02气319变介仗质型型电容净式传膛感器可见太，此贪变换倒器的电容蛾增量糕正比丙于被欧测液动位高的度h。坚变介滥质型绢电容页传感辞器有续较多鸽的结腹构形疮式，各可以浆用来贪测量蒙纸张旋、绝害缘薄传膜等雄的厚方度，咸也可省用来衰测量跳粮食张、纺抬织品粒、木错材或浙煤等堡非导旨电固尽体介旺质的牛湿度描。5/佛18启/2执02洒320变介竹质型表电容者式传升感器图中顿两平置行电吉极固波定不矛动，谦极距迅为d0，相深对介衔电常画数为εr2的电刻介质习以不税同深蚂度进呢入电正容器识中，谋从而掠改变攻两种协介质皇的极享板覆羞盖面此积。惊传州感器萍总电趁容量C为电容线量的稼变化眨与电士介质εr2的移宜动量L成线背性关巡寿系。5/塞18扒/2叮02侧321电容碌式传胳感器跌应用5/淡18记/2岂02夜322电容疯式接形近开唉关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量睛头构茂成电楼容器只的一餐个极小板，纽奉另一悠个极突板是响物体虑本身毅，当设物体卖移向啦接近疾开关荣时，择物体蹦和接史近开饮关的丢介电惜常数竖发生辞变化山，使龙得和南测量封头相毙连的娃电路货状态戒也随说之发胜生变唯化.接近颈开关煎的检胁测物现体，级并不轧限于帮金属厦导体压，也坏可以宗是绝芝缘的着液体轮或粉形状物对体。5/今18概/2艇02承3233.去3电容熊式传粮感器狂的特够点及渠等效涝电路3.渐3.啄1特点北：优点攻：1、温咐度稳介定性矛好。2、结单构简皮单，个适应崇性强鱼。3、动取态响电应性恳好。4、可位以实早现非昌接触饥测量越。5、可挖以实逐现微虫压、坊微力侍、微满小位锈移、琴加速糊度等窗的测约量。缺点想：1、输队出阻扣抗高绩，负楼载能批力差弱。2、寄始生电痰容影乌响大宁。3、输蓄出特币性非筝线性脑。5/顺18质/2宣02添3243.诱3.湖2等效矮电路R,势L——传输援线的约电阻夸和电怎感C——传感竞器的零电容孕；Cp——寄生犬电容调；Rp——极间办漏电铃阻（萍绝缘盏电阻呼）；A，B端等效计电容Ce(忽略Rp,柳R的影四响)：5/灰18踪蝶/2澡02灿325若Cp很小慰，则对C求导丘：等效久电容恒灵敏猴度：等效招电路5/所18亲/2留02食3263.岭4电容愤式传览感器畜检测吹转换鼻电路电容居式传百感器脏中电筐容值此以及柄电容偿变化痕值都剂十分裕微小,这样引微小推的电菊容量敞很难采直接漂为目戒前的润显示很仪表敞所显抚示,也很电难为嫌记录棚仪所声接受,不便捏于传声输。姿必须犹借助罪于测惹量电市路检既出这释一微庆小电吓容增雅量,并将沿其转榆换成渡与其锐成单犬值函川数关扩系的填电压躁、电讨流或笋者频陷率。电容扯转换纠电路窜有调卫频电鞋路、费运算姜放大沿器式得电路喜、二谜极管殃双T型交狸流电渡桥、屋脉冲放宽度碑调制恩电路稻等。5/卧18倾/2贷02级3273.蹈4.糊1调频倍测量源电路调频截测量哲电路适把电茎容式今传感凭器作寺为振职荡器杯谐振忘回路杰的一押部分蒸。当矮输入窝量导清致电畜容量剥发生脏变化视时,振荡景器的帝振荡送频率款就发逼生变溜化。将频盒率作稿为测补量系腐统的版输出刮量,可以白用来探判断掩被测刑非电东量的争大小,但此雨时系舞统是刑非线晒性的,不易右校正,因此续加入园鉴频默器,将频著率的徐变化恭转换价为振旱幅的切变化,经过佣放大顺处理我后输牌入显芦示或傍记录壮等仪峰器。5/幅18冻/2不02湿3283·色4·怠1调频越测量伍电路调频罗振荡膊器的佩振荡露频率痒为：当被浓测信拒号为0时，ΔC为零民。当私被测锈信号患不为0时，C产生乡丰变化ΔC，相短应引辫起Δf的变评化为5/乱18晴/2磨02蹦3293·众4·呀2调幅撒电路①交流窑电桥换法设C1=C2=C3=CX=C玻,则CX改变国时：，电桥平衡5/戏18注/2弃02蚀330②谐茅振法L,差Cx构成点振荡着电路衬。5/只18饥/2耐02枕3313·仓4·嗓3运算组放大姿器式烈测量必电路变极失距型疼电容略式传推感器肿的极森距变缓化与获电容卸变化贡量成捞非线潜性关巴系，冷使电陶容式牺传感腥器的仁应用份受到搁了一刮定的脉限制弊。采盒用比腥例运剥算放陈大器杂电路库，可槽以使搅输出距电压治与位胸移的展关系事转换葵为线垂性关父系。盗如下兽图所首示，摧反馈银回路串中的Cx为极彻距变微化型职电容信式传而感器船的输毙入电阶路，杀采用的固定懒电容Ci，Ui为稳宪定的卫工作称电压颗。由鄙于放名大器裂的高汁输入搁阻抗膊和高车增益好特性隐，比续例器都的运话算关蔑系为输出涌电压鹊与电疏容传亩感器软的间举隙成睛线性端关系扒。5/栋18衔/2烧02凡3323.腾4.韵4二极决管双T形交收流电葬桥二极熔管双T形交犁流电壳桥电己路原猴理图抱。e是高需频电摩源，勇它秃提供偏了幅寇值为U的对侦称方麦波，VD1、VD2为特烈性完些全相考同的澡两只紧二极艳管，捷固定饥电阻R1=R2=R，C1、C2为传域感器年的两患个差糠动电翅容。5/税18洋/2杂02法333二极贫管双T形交肠流电贯桥5/划18尼/2唉02败334当传役感器刺没有匹输入多时，C1=C2。其电钱路工竟作原射理如枣下：渐当e为正故半周脉时，滩二极魂管VD1导通锦、VD2截止办，于社是电辉容C1充电锯，其嘱等效担电路虏如图解（b）所示爪；在省随后芽负半源周出挥现时程，电轮容C1上的左电荷师通过亮电阻R1，负载桨电阻RL放电犹，流栽过RL的电并流为I1。当e为负绪半周贪时，VD2导通训、VD1截止茂，则呼电容C2充电妇，其蔬等效侄电路暗如图鞭（c）所示绸；在睬随后征出现勤正半度周时异，C2通过想电阻R2，负载聪电阻RL放电查，流知过RL的电片流为I2。根据伞上面喷所给穷的条宜件，君则电膊流I1=I2，且方志向相滤反，咬在一婆个周怒期内添流过RL的平示均电苹流为朋零。5/燃18融/2暂02屑335若传阴感器缝输入屑不为0，则C1≠C2,I1≠I2,此时液在一宰个周幅期内拜通过RL上的炸平均取电流斥不为劈燕零，化因稿此产农生输错出电分压，犯输出帐电压买在一刚个周哗期内捕平均啦值为式中,f为电耽源频队率。5/孟18革/2煌02券336可见镜，输央出电逢压Uo不仅笛与电底源电阴压幅技值和缘瑞频率雾有关窗，而庸且与T形网屿络中肤的电诸容C1和C2的差丙值有侍关。谎当电昂源电催压确终定后破，输文出电循压Uo是电劈燕容C1和C2的函辫数。幕该电衡路输盛出电炕压较匆高，品当电烧源频镜率为1.佩3颂MH似z，电自源电路压U=4匹6V时，抢电容剧在-7芝~7太pF变化肌，可挡以在1M恭Ω负载秤上得赏到-5敌~5枣V的直驻流输胶出电造压。电路抓的灵凳敏度扰与电闹源电垫压幅修值和镰频率助有关惩，故大输入毒电源驻要求跃稳定看。幼当U幅值城较高周，使雁二极仓管VD弃1、VD牛2工作辣在线榴性区身域时匀，测唐量的急非线阀性误柳差很敌小。拳电路杀的输劫出阻奴抗与饰电容C1、C2无关奴，而茫仅与R1、R2及RL有关为，约欠为1~译10守0k艘Ω。输减出信视号的滥上升鸡沿时至间取巴决于逝负载要电阻姑。对设于1kΩ的负席载电吗阻上皮升时炸间为20μs左右冠，宏故可题用来啦测量品高速朱的机抹械运烘动。5/具18厉/2世02抚3373·件5电容垮式传节感器伸的应竟用举荡例电容娃式传滴感器虎可用善来测亏量直驻线位按移、妙角位紫移、娘振动龄振幅阻，尤茎其适瓜合测蜓量高锡频振瘦动振括幅、秋精密高轴系闯回转沫精度接、加诵速度思等机怨械量廊。还池可以极用来亡测量洋压力页、差模压力煤、液逆位、纯料面丘、粮连食中何的水妖分含上量、疲非金拆属材堪料的垮涂层纷、油青膜厚非度、南测量夹电介痛质的桥湿度喝、密犁度、从厚度帆等等钉。在自江动检垮测和狭控制锈系统宝中也晋常常辞用来默作为位置环信号偏发生唇器。当族测量尾金属党表面帝状况湖、距拉离尺擦寸、瓦振动她振幅前时，养往往升采用泛单电熔极式颠变极崖距型逮电容芽传感语器，脊这时据被测世物是克电容睛器的第一个遭电极汉，另端一个汽电极被则在肿传感柴器内搬。5/工18肉/2浅02只338差分协电容柜压力除传感暗器：差分轿式电千容测织压传予感器妖由两纷个相院同的刊可变塔电容售组成坊。在活被测贱压力寸的作路用下鲁，一岗个电膛容的敌电容拌量增大,而另冻一个彩则相喇应减小。差分催式的混电容休传感陪器比激单极治式的及电容盐传感菊器灵耐敏度集高、益线性狭好。岁但差速分式阁测压侧传感币器加确工较范困难北，不裂易实债现对泡被测愤气体做或液熔体的葵密封涂，因波此这蛇种结兔构的格传感骡器不宜今于工帐作在骨含腐树蚀或堡其他解杂质汉的流输体中睡。3·屑5电容纷式传鼓感器馆的应京用举晌例5/税18泥/2揉02锄339差分尾电容智压力谷传感拥器图中洗所示监膜片里为动弃电极冷，两遍个在柜凹形乳玻璃初上的棋金属礼镀层渗为固太定电赤极，陈构成努差动纠电容沈器。当被虾测压升力或亡压力村差作粒用于米膜片迹并产锻生位铃移时轮，所乐形成懒的两途个电织容器资的电印容量季，一浑个