《电气测试技术第5版》 课件 3.4 电容式传感器

02December20243.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理极其特性3.4.2测量电路3.4.3电容传感器的特点及其应用范围02December20243.4.1电容式传感器的工作原理极其特性图3-60平板电容器原理图3-60为平板电容器原理图，若忽略其边缘效应，其电容量C为：+++dA

d、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数式。

02December20243.4.1.1变气隙式电容传感器及其特性图3-60中，设在被测量作用下，动极板向上移动Δd，其电容量增加，电容变化量为：式中，C0

为初始电容量，

。在

时，将上式展开成麦克劳林级数：

若动极板向下位移Δd，同理可得：02December2024由式（3-71）和式（3-72）可见，变气隙式电容传感器的特性是非线性的。若

，忽略高次方非线性，方可认为其特性是线性的，即：

因此，可得其灵敏度为：

变气隙式传感器的特点是灵敏度高，但非线性严重，通常取之间。02December20243.4.1.2变面积式电容传感器及其特性角位移变面积型见图3-61a，当转动动片一个角度θ，遮盖面积发生变化，电容量也随之改变。当θ=0时，其电容量为：

当θ≠0时，

其灵敏度为：图3-61变面积式电容传感器变面积式电容传感器的结构见图3-61。02December2024板状线位移变面积型

见图3-61b，当动板沿箭头所示方向移动x时，传感器的电容量为：

其灵敏度为筒状线位移变面积型

见图3-61c，当动板圆筒沿轴向移动x时

其灵敏度为：02December20243.4.1.3变介电常数式电容传感器及其特性当电容极板之间的介电常数发生变化时，电容量也随之发生变化，根据这一原理可构成变介电常数式电容式传感器。可用以测量物位，含水量及成分分析等。图3-62为变介电常数式电容液位传感器原理图。当被测液面在同心圆筒间变化时，传感器电容随之变化，其容量为：图3-62电容式液位传感器原理图02December20243.4.1.4差动电容传感器及其特性上述变气隙式、变面积式和变介电常数式三种电容传感器均可制成差动电容传感器。由于变气隙式电容传感器的非线性严重，实际上是很少使用的，通常制成差动型式。由于篇幅所限。仅介绍变气隙式差动传感器及其特性，其结构见图3-63。差动电容传感器的输出电容变化量

，得：图3-63变气隙式差动电容传感器原理由上式可见，变气隙式差动电容传感器仅含奇次方的非线性，因此其线性度得到很大程度的改善。02December20243.4.2测量电路电容式传感器的测量电路的种类很多，目前较常用的有电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等。3.4.2.1电桥电路电容式传感器常用交流电桥和变压器电桥作为测量电路。图3-64电容式自动平衡液位测量仪原理框图例3-6图3-64是电容式自动平衡液位测量仪原理框图，试求指针偏转角θ与液位h的表达式。02December2024解：由图可见，当h=0时，CX=CX0=C0，且电位器RP（阻值RP）的电刷在O点，即R=0，此时电桥应平衡，桥路输出电压Uac=0，则

当液位为h时，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1为电容传感器的灵敏度。此时Uac≠0，经放大后，使单相电动机转动，经减速后带动指针转动，同时带动电位器的电刷移动，直到Uac=0，系统重新平衡为止，此时联立求解上面两式得：02December2024由于指针转角θ与电位器电刷同轴相连，它们间的关系为：

θ=k2R 因此

其中，

k2为比例系数可见，指针偏转转角θ与液位高度h成比例。02December20243.4.2.2调频电路将电容式传感器的电容接入LC高频振荡电路，将电容的变化转换成振荡频率受传感器电容的调制，因此称为调频电路，其工作原理见图3-65。图3-65调频电路原理图02December20243.4.2.3差动脉冲调宽电路图3-66差动脉冲调宽电路图3-67差动脉冲调宽电路的输出波形02December20243.4.2.4运算放大器电路图3-68运算放大器电路由右式及图3-68可见，输出电压与动极板的位移d成线性关系，从原理上克服了单个变气隙式电容传感器特性的非线性误差问题。需要指出的是，由于增益k≠∞，且输入阻抗Zi≠∞，所以仍然具有一定的非线性误差。为了防止干扰和减小杂散分布电容的影响，必须采取特殊措施即所谓的驱动电缆技术。02December20243.4.3电容传感器的特点及其应用范围电容传感器的特点是：结构简单，灵敏度高，分辨率高，能感受0.01甚至更小的位移，无反作用力，需要的动作能量低，动态响应好，可实现无接触测量，能在恶劣的环境下工作；缺点是：输出特性非线性，受分布电容影响大。但是，随着新工艺，新材料问世，特别是电子技术的发展，使干扰和寄生电容等问题不断得到解决，因此越来越广泛地应用于各种测量中。电容传感器可以用来测量直线位移、角位移、振动振幅（可测至0.05微小振幅），尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压、液位、料面、成分含量（如油、粮食、木材的含水量）及非金属材料的涂层、油膜等的厚度。此外，也可以用来测量电介质的温度、密度、厚度等。02December2024电容传声