工学自动检测技术及应用电容式传感器及其应用

2024/11/61第4章电容式传感器

本章学习电容式传感器的工作原理、测量转换电路及其应用。2024/11/62电容式传感器定义：将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。应用：位移、加速度、液位、振动及湿度。2024/11/63§4.1

电容式传感器的工作原理及结构形式2024/11/64A——极板相对覆盖面；d

——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数；ε0

＝8.854×10-12(F/m)ε

——电容极板间介质的介电常数。ε=ε0εr

δSε一、工作原理

由物理学可知，由两平行板组成的平行板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：dA2024/11/65

请思考：上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？

两平行板组成的平行板电容器，电容传感器的基本理想公式为：2024/11/66

改变A、d、

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。2024/11/671、变面积（A）式电容传感器

图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。

图b是一个角位移式的结构。极板1的轴由被测物体带动而旋转一个角位移

度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。

图c是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。2024/11/68

可见，增加极板宽度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。此传感器的灵敏度K可用下式求得对于图a平板形位移电容传感器，当动极板移动x后：C0——初始电容值灵敏度为常数线性关系2024/11/69变面积式电容传感器的特性

变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。你能否画出变面积式电容传感器的输出特性曲线??2024/11/610当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。2、变极距（d）式电容传感器结构示意图极板1为定极板极板2为动极板2024/11/611电容量Cx与d不是线性关系，其灵敏度也不是常数。

从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？由电容的表达式：2024/11/612

当d0较小时，该种类型的传感器灵敏度较高，微小的位移即可产生较大的电容变化量。实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。故该类传感器只适用于微米数量级的位移测量。结论：2024/11/6133、变介电常数（ε）式电容传感器因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数2024/11/614

根据上表，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。

请问：在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？2024/11/615根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度。下图为电容液位计，同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器。根据：输出电容C与液面高度h成线性关系。2024/11/616当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大，因而电容量增大。反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值。2024/11/6174、差动电容传感器

在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。变极距式差动电容器

旋转形差动电容器

圆柱形差动电容器

2024/11/618如图a)，中间的极板为动极板，上下两块为定极板。当动极板向上移动x距离后，一边的间隙变为d-x，而另一边则为d+x。电容C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增加，而另一个电容量则相应减小。将C1、C2接成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。请思考：我们已经学习了哪些差动形式？2024/11/619休息一下2024/11/620§4.2

电容式传感器的测量转换电路

2024/11/621

转换电路实现将微小的电容变化转换为电压、电流或频率等信号。电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥等。被测非电量电容变化电量电容式传感器转换电路2024/11/622一、电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。2024/11/623１、单臂接法的桥式测量电路（图a）

电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，CX为电容传感器,交流电桥平衡时有：

C1／C2＝Cx／C3

此时，

U0＝０当Cx改变时，U0≠0，有输出电压。

2024/11/624２、差动接法的桥式测量电路（图b）

在图b)的电路中，接有差动电容传感器，其空载输出电压为：由于电桥输出的电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。＋＋2024/11/625二、调频电路

调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。2024/11/626当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容所调制。

调频电路的灵敏度高，抗干扰能力强。调频振荡器的频率为：

Ｌ—振荡回路的电感Ｃ—振荡回路总电容2024/11/627请思考：电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的调频电路有何区别？式中哪些量是变量？2024/11/628

将电容器接入开环放大倍数为Ａ的运算放大电路中，作为电路的反馈组件。三、运算放大器式电路

图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压。传感器电容2024/11/629由理想放大器的工作原理可得：结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性。2024/11/630四、二极管T型网络当电源处于正半周时:VD2导通，VD1截止，电容Cl经VD2迅速充电至电压E，电源经R1向负载电阻RL供电，与此同时，电容C2经R2和RL放电，流经RL的电流为这两电流之和。这种双T型充放电网络是脉冲式测量电路的一种形式，其基本原理是利用电容的充放电。2024/11/631

如果二极管VD1和VD2具有相同的特性，且C1＝C2，R1＝R2，则两电流大小相等，方向相反，即流过RL的平均电流为零。那么C1、C2的任何变化都将使RL上有电流输出。2024/11/632休息一下2024/11/633§4.3电容式传感器的应用

2024/11/634一、电容传感器的优缺点优点：１．结构简单，适应性强，能在恶劣的环境条件下工作；２．本身发热影响小，温度稳定性好；３．需要的作用能量小；解决输入能量低的信号的测量。４．可获得较大的相对变化量；５．动态响应快；可用于测量高速变化的参数。６．可实现非接触测量，具有平均效应。缺点：１．输入阻抗高，负载能力差；２．输出特性非线性；３．寄生电容的影响。2024/11/635二、应用实例电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A和极间介电常数

。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。

2024/11/6361．电容式应变计在被测量的固定点上，装两个薄而低的拱弧，方形电极固定在弧的中央，两个拱弧的曲率略有差别。当两固定点受压时变换电容值将减小（极间距增大）。2024/11/6372．电容测厚仪

如果总电容量C作为交流电桥的一个臂，电容的变化将引起电桥的不平衡输出，经过放大、检波、滤波，最后在仪表上显示出带材的厚度。把两块极板用导线连起来就成为一个极板，而带材则是电容器的另一极板，其总电容C＝C1+C22024/11/6383．电容式荷重传感器

当钢块端面承受重量F时，圆孔将产生形变，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容量的增值正比于被测载荷F。2024/11/6394．湿度传感器

当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介电常数发生变化，从而导致电容量变化。2024/11/640湿敏电容外形吸水高分子薄膜2024/11/641湿敏电容模块及传感器外形2024/11/6425