1309检测A4-结构型-电容传感器课件

第四章结构型-电容传感器主要内容1.电容传感器基本原理与特性2.电感传感器测量电路3.电容式传感器应用学习要求1.理解电容传感器原理、基本构成、应用特点2.掌握阻抗元件测量电路的应用特性电容式传感器4.1电容式传感器原理图4－21平板电容器ε

--两个极板间介质的介电常数；A

--两个极板相对有效面积；d0--两个极板间的距离改变A、d0、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。

4.1.1变面积式电容式传感器图4－20结构4.1电容式传感器原理直线位移型电容式传感器4.1.1变面积式电容式传感器

动极板移动覆盖面积变化电容量改变4.1电容式传感器原理思考：线性关系？4.1.1变面积式电容式传感器4.1电容式传感器原理当动极板有一个角位移θ时，与定极板间有效覆盖面积发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时，则当θ≠0时，则4.1.2变间隙式电容式传感器图4-21变间隙式电容传感器1-固定极板2-与被测对象相连的活动极板

静态电容量4.1电容式传感器原理4.1.2变间隙式电容式传感器4.1电容式传感器原理d0

较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0

过小，容易引起电容器击穿短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质。思考：其它衍生的应用？4.1.3

变介电常数式电容式传感器图4-26变介电常数型电容式传感器的结构4.1电容式传感器原理4.1.3

变介电常数式电容式传感器4.1电容式传感器原理右图原理常用于测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。如则思考：线性关系？4.1.3

变介电常数式电容式传感器4.1电容式传感器原理4.1.4

差动式平板电容传感器4.1电容式传感器原理思考：差动的目的？差动C的连接电路？4.2.1电容式传感器的等效电路4.2电容式传感器测量电路由等效电路知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。并联损耗电阻极板间的泄漏电阻和介质损耗串联损耗引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗电容器本身的电感和外部引线电感并/串电阻损耗在低频时影响较大工作频率应低于谐振频率，否则传感器不能正常工作。有效电容电阻Ce略去损耗运算放大器电路图4-35运算放大器式测量电路4.2电容式传感器测量电路4.2.2运算放大器测量电路交流电源电压思考：与d、S、ε线性？运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压Ui的幅值和固定电容C0

值稳定。4.2电容式传感器测量电路4.2.3双T电桥测量电路图4-36双T电桥电路uL差动电容正半周负半周设C1和C2为变间隙式电容传感器，则有负载阻抗=∞时，电桥输出电压为图

变压器电桥原理图4.2电容式传感器测量电路4.2.4变压器电桥紧耦合电感电桥被测非电量电容变化U/I/f当负载阻抗为无穷大时，电桥输出电压为图

紧耦合电感臂电桥4.2电容式传感器测量电路消除电感臂分布C对平衡影响，改善电路零稳定性

将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，传感器工作时,电容Cx

发生变化,就使振荡器的频率f产生相应的变化。L为振荡回路电感C为振荡回路总电容。调频－鉴频电路原理图4.2电容式传感器测量电路4.2.5调频电路思考：信号波形？待测量与信号关系？C=C1+C2+Cx，C1

为振荡回路固有电容C2

为传感器引线分布电容Cx=C0±ΔC为传感器的电容4.2电容式传感器测量电路4.2.6电容信号转换集成电路（CAV424）外部设置振荡频率基准参考电容测量电容输入同步对称锁相积分4.2电容式传感器测量电路4.2.6电容信号转换集成电路（CAV424）差分信号在低通滤波后得到被校正的直流信号4.2电容式传感器测量电路4.2.6电容信号转换集成电路（CAV424）C/V转换器，并包含完整的片上电容信号处理单元。待测电容与一个固定参考电容的电容相对(5％-100％)变化量。该IC对10pF到2nF大范围的电容进行了优化。高共模抑制比和高分辨率差分电压输出信号可直接连接到后续的A/D。使用集成的温度传感器，易于建立数字调节系统。4.3电容式传感器应用4.3.1电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器应用示意图1－电容式传感器；2－被测振动物；3－被测轴思考：(1)振动振幅x(2)振动速度v(3)振动加速度a思考：振动是什么？什么引起振动？图

电容式称重传感器1－动极板；2－定极板；3－绝缘材料；4－弹性体；5－极板支架图

差动式电容压力传感器1－金属膜片（动片）；2－玻璃；3－多孔金属滤波器；4－金属镀层（定片）；5－垫圈4.3电容式传感器应用4.3.2电容式压力/力传感器思考：力和压力？思考：传感器原理与待测量？图4-26电容式液位传感器1－内电极；2－外电极；3－绝缘层4.3电容式传感器应用4.3.3电容式液位传感器4.3.4

电容测厚仪图

电容式测厚仪原理框图4.3电容式传感器应用硅微加工加速度传感器

图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。工作电压为2.7～5.25V加速度测量范围为数个g可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。4.3电容式传感器应用微加工三轴加速度传感器

技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%4.3电容式传感器应用硅微加工加速度传感器原理

1—加速度测试单元

2—信号处理电路

3—衬底

4—底层多晶硅（下电极）

5—多晶硅悬臂梁

6—顶层多晶硅（上电极）4.3电容式传感器应用湿敏电容外形吸水高分子薄膜4.3电容式传感器应用在野外的使用带报警器的家庭使用型湿敏电容外形4.3电容式传感器应用电容式油量表

满油,液位上升,指针停留在转角为m处。油位降低时,电容传感器的电容量Cx减小,电桥失衡,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（x

处）。该油量表属于开环系统还是闭环系统？4.3电容式传感器应用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示4.3电容式传感器应用4.3电容式传感器应用思考:(1)有几种结构类型，可测哪些物理量？(2)有哪几种应用电路，输出关系？(3)这种传感器应用优势？作业:4.9、4.12、4.15、4.16

平时作业加分题：见后续PPT页预习:电感传感器、电路、特性补充作业1.试推导右图示介质面积的电容传感器的位移输入x和电容量C的关系式（极板宽度为b）。2.变面积式电容传感器如右图，求：(1)写出电容量与输入位移之间关系以及电容输出灵敏度表达式；(2)画出利用运算放大器构成的线性输出电路原理图。补充作业3.下图a为同心圆柱式电容器；

图b为单电极电容液位计示意图。

请结合示图详细说明该单极电容器的液位测量原理，如何提高检测灵敏度？表达式补充作业4.已知两极板电容传感器，其极板面积为A，两极板间介质为空气，极板间距1mm。(1)当极距减少0.1mm时，其电容变化量和传感器的灵敏度？(2)若参数不变，将其改为差动结构，当极距变化0.1mm时，求其电容变化量和传感器的灵敏度？(3)并说明差动传感器为什么能提高灵敏度和减少线性误差。

补充作业5.写出右题图电容传感器差动桥路空载时的变截面积A、变