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6/28/202316/28/20232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。6/28/202333.1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。+++dS6/28/202343.1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。++++++6/28/20235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。6/28/202366/28/20237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。6/28/20238

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6/28/20239变极找距电扔容式身传感旋器在d0较种小时凤，对诱于同枣样的者Δd变化尖所引崇起的洽ΔC可以洒很大侨，从态而使剃传感刚器灵绩敏度弹提高斤。d0过无小，熟容易护引起榆电容董器击膜穿或诸短路肆。为代此，金极板震间可适部分拆采用环高介遵电常躲数的血材料柱（云腰母、代塑朱料膜成等）扮作介朴质,蔬如篮下图到，6/村26歇/2纠02宪310式中乐：εg——闷云母吐的相茅对介唇电常净数，εg=7可；诞ε0——慌空气尊的介浙电常缝数，ε0=1赤；宋d0——匀空气骑隙厚谨度；购dg——字云母剪片的材厚度哲。此时层电容筛C变红为：6/件26饼/2乐02离311电介惯质材拥料的仆相对工介电生常数6/透26叶/2怎02盘312云母们片的得相对此介电松常数扫是空录气的7倍，惊其击卷穿电挎压不杀小于10猛00灿k荡V/纷mm，而空享气仅盛为3被kV央/m晒m。因此宰有了趋云母访片，航极板编间起垦始距录离可泼大大成减小犁。同详时，dg/ε0εg项是患恒定馆值，锋它敌能使皮传感卷器的省输出姓特性辱的线远性度矿得到批改善讨。一般俭变极膛距电交容式研传感粘器的丸起始破电容略在20刚~1应00图pF之间昆，暗极板站间距赵离在25闲~2载00μm的范氏围内锯。最旨大位窗移应独小于旋间距涂的1/物10，窑故在避微位逆移测稳量中忠应用最广挽。6/并26代/2据02层313实际抓应用竹中，机常常絮采用脊差动变型电裤容式丘传感夕器。作用懒：改仪善非列线性少，提伐高灵最敏度说，减押少外杜界因哥素影灯响。差动膊型电鸣容式互传感铃器6/纱26专/2径02破3143.螺2.挽2变面眯积型直线飞位移句测量6/畅26层/2倒02遵3152、角位挎移量6/枣26盖/2掏02著3163、圆柱驼型位右移量6/汪26醉/2描02谦317变介评质型浅电容激式传乎感器6/厘26液/2恳02话318式中创：ε——抄空气酿介电恭常数前；画C0——况变换鸟器初尝始电共容值登,胳即变介遥质型找电容峰式传关感器如图族是一槐种变旬极板膜间介块质的差电容驻式传睡感器茫用于锯测量独液位攀高低话的结恋构原亏理图洪。设罢被测朋介质签的介酬电常察数为ε1，液返面高长度为h,痛变换做器总奸高度萍为H，内冻筒外恒径为d，外隶筒内售径为D，此迎时变铸换器买电容谋值为6/济26瞎/2耗02腿319变介袖质型浊电容宝式传纲感器可见柄，此仆变换罢器的电容带增量置正比邻于被烂测液君位高遍度h。凭变介悉质型垂电容竞传感歪器有志较多阔的结惭构形赚式，卖可以滥用来甲测量乱纸张颈、绝部缘薄径膜等乱的厚座度，比也可奇用来碰测量遵粮食女、纺妨织品盆、木水材或洋煤等劲非导克电固贤体介惜质的倘湿度僚。6/咱26登/2岗02富320变介早质型角电容随式传慢感器图中总两平护行电托极固更定不先动，熊极距抓为d0，撞相对费介电然常数罚为εr2的桐电介谁质以氧不同煎深度塌进入框电容愉器中说，从碌而改协变两毯种介汽质的哭极板刑覆盖馆面积抗。功传感嫌器总译电容头量C为电容斯量的扬变化游与电原介质εr2的移寻动量L成线井性关筛系。6/探26横/2喇02榴321电容朽式传析感器宾应用6/盖26曲/2危02伍322电容坝式接悄近开笼关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量宫头构授成电注容器臂的一辅个极印板，顶另一仪个极搂板是扮物体荒本身谈，当习物体传移向担接近闯开关然时，考物体屠和接叠近开为关的且介电驼常数跌发生踪蝶变化委，使娇得和栋测量匪头相絮连的谱电路封状态乓也随厌之发铜生变族化.姻接近具开关板的检竹测物解体，栽并不察限于择金属告导体描，也虏可以澡是绝妹缘的铺液体疼或粉劳状物咽体。6/毅26渴/2绪02笨3233.田3电容萝式传粉感器迅的特灿点及张等效重电路3.隆3.遮1特点们：优点禾：1、圈温度宪稳定写性好胸。2、浑结构桨简单粥，适费应性男强。3、丹动态守响应具性好境。4、右可以采实现轻非接抽触测弓量。5、关可以您实现陪微压砖、微皱力、晴微小戚位移午、加烤速度芝等的爪测量虑。缺点吉：1、埋输出惨阻抗辛高，械负载港能力价差。2、洒寄生浪电容母影响卵大。3、宣输出探特性膨非线耀性。6/仇26匆/2向02居324等效歌电路R,焦L——帖传斯输线贵的电年阻和耍电感C——课传羞感器疼的电垃容；Cp——客寄钩生电瘦容；Rp——渴极悉间漏跑电阻载（绝霉缘电荣阻）糕；A，苏B端等效炉电容Ce(忽诊略Rp电,犬R的影穗响)析：6/环26成/2摄02敏325若Cp很小害，则对C求导穷：等效均电容松灵敏可度：等效刮电路6/字26绝/2我02庙3263.么4电容掉式传罗感器肚检测好转换爱电路电容蚁式传剥感器住中电魔容值遮以及除电容掏变化租值都忙十分鼓微小监,弟这样毫微小银的电台容量威很难颜直接俭为目伟前的公显示缓仪表诵所显超示,饶也旋很难圆为记鲁录仪纹所接丧受,军不饭便于袖传输同。必热须借迟助于耍测量隶电路败检出析这一兼微小赛电容讽增量短,宏并将凭其转兆换成完与其伪成单闷值函辱数关搏系的祸电压塌、电务流或叛者频膊率。电容瓜转换写电路介有调代频电垂路、信运算伏放大样器式恒电路粘、二锹极管趋双T梯型交突流电关桥、境脉冲底宽度阴调制叹电路稳等。6/岂26蕉/2取02逝327调频睁测量桌电路调频止测量此电路散把电重容式济传感恨器作宫为振陷荡器慢谐振冬回路表的一步部分部。当聪输入挺量导禁致电瞒容量战发生舌变化牌时,亏振井荡器分的振沙荡频异率就铁发生睁变化距。将频并率作栽为测隶量系床统的鞠输出恶量,津可姿以用穿来判他断被狱测非钉电量睡的大浓小,搬但族此时鞠系统财是非锁线性钞的,夺不法易校腊正,樱因宽此加败入鉴硬频器扛,开将频期率的触变化酬转换阵为振板幅的素变化喜,经过古放大那处理滥后输当入显港示或难记录尊等仪舞器。6/墨26剪/2课02慨3283·往4·似1调频亮测量谎电路调频阳振荡度器的乡丰振荡辽频率屈为：当被却测信溉号为耕0时指，ΔC为零践。当维被测辅信号典不为改0时灵，C产生单变化ΔC，相盏应引伴起Δf的变偶化为6/逝26幻玉/2俯02逐3293·诸4·声2调幅级电路①交冶流电去桥法设C1=C2=C3=CX=C霞,则途CX改变催时：，电桥平衡6/忠26侧/2建02例330②谐尖振法L,尚Cx构成浙振荡葛电路祥。6/佩26档/2们02央3313·犹4·赔3运算暮放大炉器式兔测量膜电路变极貌距型古电容则式传拔感器扒的极巡寿距变品化与千电容挂变化虽量成瞧非线堪性关庭系，羞使电悉容式循传感熔器的股应用壳受到罗了一兆定的鄙限制净。采莫用比吩例运岗算放竖大器圾电路决，可瘦以使枕输出赏电压建与位盟移的蛛关系敌转换炊为线校性关缎系。如如下碧图所嗽示，厕反馈曲回路垂中的Cx为极骑距变福化型叼电容撑式传纵感器今的输穿入电饮路，况采用榆固定叛电容Ci，Ui为稳辱定的颗工作邻电压兵。由偶于放歇大器执的高蚁输入必阻抗匹和高擦增益搁特性得，比抚例器仇的运梨算关爬系为输出塔电压显与电卧容传该感器间的间娘隙成胜线性午关系汤。6/斤26敢/2库02昼332二极孝管双短T形拐交流走电桥二极手管双容T形皂交流敌电桥释电路浩原理随图。e是高机频电辫源，勇它括提供榜了幅复值为U的对挎称方戏波，躲VD1、VD2为特极性完缓全相纹同的院两只树二极插管，若固定垂电阻R1=R2=R，C1、C2为传氧感器炸的两咐个差爽动电无容。6/谎26畜/2舌02状333二极身管双学T形将交流含电桥6/泉26住/2隶02锹334当传书感器猪没有叮输入廉时，C1=C2。其眯电路效工作苗原理起如下雄：当e为正赚半周阶时，凑二极问管VD1导通劲、VD2截止翁，于乱是电市容C1充电葡，其涌等效病电路语如图独（b状）所伏示；买在随伴后负瓣半周臭出现拒时，伍电容C1上的撒电荷币通过械电阻R1，负暗载电浑阻RL放电席，流芬过RL的电挤流为I1。当倍e为询负半子周时观，VD2导通堆、VD1截止往，则柏电容C2充电卵，其仅等效提电路兽如图盏（c性）所拖示；之在随亭后出猜现正建半周拦时，C2通过周电阻R2，负极载电医阻RL放电异，流坚过RL的电传流为I2。根刷据上签面所张给的狱条件惕，则怒电流I1=I2，且寸方向们相反恼，在差一个绘周期萝内流繁过RL的平粉均电顶流为贝零。6/童26拥/2买02均335若传慌感器芦输入膜不为直0，蓄则C1≠C2,I1≠I2,耕此时膀在一费个周炎期内免通过RL上的秒平均治电流誓不为愤零，殃因涨此产腔生输煤出电拍压，箭输出啊电压佳在一绩个周迟期内努平均垄值为式中奖,f为电响源频希率。6/永26阅/2帝02立336可见申，输芦出电沃压Uo不仅葬与电捆源电拍压幅江值和汽频率含有关灭，而昼且与T形网潜络中吨的电击容C1和C2的差骨值有牵关。匙当电运源电丽压确救定后谷，输爽出电押压Uo是电搅容C1和C2的函谢数。与该电详路输姓出电仗压较攻高，暑当电村源频倒率为1.钻3抹MH拣z，电帅源电泰压U=4召6V时，歉电容楚在-7察~7慈pF变化抢，可搁以在1M商Ω负载词上得良到-5摘~5涉V的直顿流输述出电徐压。电路双的灵铺敏度伐与电疗源电柔压幅侨值和鸽频率松有关阴，故瞧输入思电源碰要求御稳定节。垦当U幅值雹较高土，使姐二极寒管VD步1、VD书2工作泄在线蜻性区谦域时纺，测粘量的颂非线默性误架差很否小。包电路栽的输天出阻桌抗与咬电容C1、C2无关都，而赛仅与R1、R2及RL有关山，约遍为1~状10掌0k沸Ω。输秩出信启号的穿上升衰沿时曲间取笋决于偷负载状电阻积。对忘于1kΩ的负铲载电局阻上堂升时袄间为20μs左右穗，画故可堂用来罩测量剖高速瓦的机昏械运葬动。6/烧26薄/2丑02捕3373·置5电容坛式传磁感器欣的应叶用举府例电容途式传央感器难可用饥来测最量直饥线位尸移、宫角位查移、惨振动透振幅浊，尤兆其适削合测势量高钓频振涉动振矩幅、窃精密摔轴系什回转践精度押、加亭速度锯等机份械量伤。还汉可以曲用来闪测量玻压力纱、差匀压力比、液奏位、听料面洗、粮惩食中恶的水辨分含爸量、让非金仔属材滩料的绪涂层缝、油除膜厚冒度、息测量鸭电介叙质的炼湿度裕、密屡度、颗厚度装等等斑。在自线动检夏测和树控制芹系统箱中也差常常幻玉用来却作为位置钥信号而发生毅器。当岁测量朋金属亿表面嘱状况纳、距某离尺烫寸、敢振动帐振幅琴时，吃往往美采用它单电萍极式尊变极丈距型皇电容北传感滋器，扣这时涌被测胁物是缠电容赛器的柳一个秒电极蒸，另仍一个盗电极无则在物传感躁器内料。6/杆26惜/2娇02晌338差分拼电容质压力正传感王器：差分涨式电菊容测栗压传队感器题由两星个相显同的艇可变雨电容监组成泳。在幼被测米压力筑的作催用下遮，一盼个电波容的央电容已量增大洲,而另远一个言则相能应减小。差分另式的消电容冶传感咸器比墙单极获式的扶电容肺传感淋器灵萍敏度舟高、叹线性著好。仗但差眉分式唯测压脱传感者器加辩工较届困难糠，不睛易实诵现对幕被测真气体钩或液体体的脂密封逮，因扰此这限种结呼构的捎传感东器不宜括于工刚作在梦含腐向蚀或减其他叔杂质吨的流兄体中善。3·艇5电容版式传右感器皱的应事用举秋例6/区26辫/2汗02瓶339差分闷电容高压力姓传感强器图中喂所示昼膜片标为动狂电极谅，两德个在茧凹形渠玻璃艺上的译金属食镀层冤为固仇定电晒极，演构成拌差动苍电容丸器。当被河测压纤力或歪压力吵差作兰