《传感器技术及应用》课件第4章 电容式传感器

第4章电容式传感器本章内容

4.1电容式传感器的工作原理和结构

4.2电容式传感器的测量电路

4.3电容式传感器的应用

学习目标

了解变极距型、变面积型和变介电常数型电容传感器的工作原理、分类和测量电路。掌握电容传感器的基本使用方法和典型应用。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

4.1电容式传感器的工作原理和结构

式中：

——电容极板间介质的介电常数，

=

0

r，其中

0为真空介电常数，

r极板间介质的相对介电常数；

A——两平行板正对面积；

d——两平行板之间的距离。如果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，通过测量电路就可以转换为电量输出。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3种。

图4-1电容式传感元件的各种结构形式4.1.1变极距型电容传感器当传感器的

r和A为常数，初始极距为d0时，其初始电容量C0为

若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有

传感器的输出特性不是线性关系，而是曲线关系。若Δd/d0<<1时，1−（Δd/d0）2≈1，则上式可以简化为

此时C与Δd近似呈线性关系，在d0较小时，对于同样的Δd变化所起的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或短路。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。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。在微位移测量中应用最广。

图4-2变极距型电容式传感器 图4-3电容量与极板间距的关系

4.1.2变面积型电容式传感器

1、线性位移电容传感器当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为

电容相对变化量为： 很明显，这种传感器其电容量C与水平位移Δx呈线牲关系。

图4-5变面积型电容器原理图

图4-6电容式角位移传感器原理图

2、电容式角位移传感器当动极板有一个角位移

时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当动极板转动

时，则

4.1.3变介质型电容式传感器1、原理设被测介质的介电常数为

1，液面高度为h，变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时变换器电容值为

变换器的电容增量正比于被测液位高度h。

2、应用用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。

图4-7电容式液位变换器结构原理图 图4-8变介质型电容式传感器4.2电容式传感器的测量电路

4.2.1调频电路

调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时。振荡器的振荡频率就发生变化。调频式测量电路原理框图如下图所示。图中调频振荡器的振荡频率为

式中：L——振荡回路的电感；C——振荡回路的总电容，C=C1+C

2+C

x，其中C1为振荡回路固有电容，C

2为传感器引线分布电容，C

x=C

0±ΔC为传感器的电容。

图4-9调频式测量电路原理图

当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01

m级位移变化量。

4.2.2运算放大器式电路

由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高，运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。由运算放大器工作原理可得

如果传感器是一只平板电容，可得

式中：“−”号表示输出电压的相位与电源电压反相。运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。

图4-10运算放大器式电路原理图

4.2.3二极管双T形交流电桥1、当传感器没有输入时，C1=C2。其电路工作原理如下：①当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，电源U经电阻R1以电流I1向负载RL供电，与此同时电容C2经R2和负载RL放电电流为I2，流经负载的电流为I1和I2之和，它们的极性如图4-11（b）所示；

②在随后负半周出现时，二极管VD2导通、VD1截止，于是电容C2充电，电源U经电阻R2以电流I2＇向负载RL供电，与此同时电容C1经R1和负载RL放电电流为I1＇，流经负载的电流为I1＇和I2＇之和，它们的极性如图4-11（c）所示。根据上面所给的条件，C1=C2时，电源正半周和负半周流过负载的电流的平均值大小相等，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。

2、若传感器输入不为0，则C1≠C2，I1≠I2，此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为

若 则输出电压可改写为

U0=UfM(C1−C2)输出电压U0不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中电容C1和C2的差值有关。故可用来测量高速的机械运动。

图4-11二极管双T形交流电桥（a）电路原理图；（b）高频电源正半周等效电路图；（c）高频电源负半周等效电路图

4.2.4环形二极管充放电法

基本原理是以一高频方波为信号源，通过一环形二极管电桥，对被测电容进行充放电，环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。

当输入的方波由E1跃变到E2时，电容Cx、Cd两端的电压皆由E1充电到E2。对电容Cx充电的电流，如图3-12中i1所示的方向，对Cd充电的电流如i3所示方向。在充电过程中（T1这段时间），VD2、VD4以一直处于截止状态。在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为q1=Cd(E2−E1)。

当输入的方波由E2返回到E1时，Cx和Cd放电，它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流所经过的路径分别为i2、i4所示的方向。在放电过程中（T2时间内），VD1、VD3截止。在T2这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2=Cx(E2−E1)。

设方波的频率f=1/T0（即每秒钟要发生的充放电过程的次数），则由C点流向A点的平均电流为I2=Cxf(E2−E1)，而从A点流向C点的平均电流为I3=Cdf(E2−E1)，流过此支路的瞬时电流的平均值为

令Cx的初始值为C0，ΔCx为Cx的增量，则Cx=C0+ΔCx，调节Cd=C0，则

I正比于ΔCx。图4-12环行二极管电容测量电路原理图

4.2.5脉冲宽度调制电路图中Cx1、Cx2为差动式电容传感器，当双稳态触发器处于某一状态，Q=1，=0，A点高电位通过R1对Cx1充电，时间常数

1=R1Cx1，直至F点电位高于Ur，比较器A1输出正跳变信号。

与此同时，因=0，电容器Cx2上已充电流通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转，使Q=0，=1，于是A点为低电位，Cx1通过VD1迅速放电，而B点高电位通过R2对Cx2充电，时间常数为

2=R2Cx2，直至G点电位高于参比电位Ur。比较器A2输出正跳变信号，使触发器发生翻转。

①当差动电容器Cx1=Cx2时，

A、B两点间的平均电压值为零。②当差动电容Cx1≠Cx2，且Cx1＞Cx2，则

1=R1Cx1＞

2=R2Cx2。此时UA、UB脉冲宽度不再相等，一个周期（T1+T2）时间内的平均电压值不为零。此UAB电压经低通滤波器滤波后，可获得Uo输出为

图4-13脉冲宽度调制电路电压波形

将

代入上式得若是平行板电容有：

在变面积电容传感器则有：由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器。

4.3电容式传感器的应用4.3.1电容式油量表（1）当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx=Cx0，调节匹配电容使C0=Cx0，R4=R3；并使调零电位器RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻值为0。此时，电桥满足Cx/C0=R4

/R3的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ=0。

（2）当油箱中注满油时，液位上升至h处，Cx=Cx0+

Cx，而

Cx与h成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压U0经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂移动，从而使RP阻值增大，Rc

d

=R3+RP也随之增大。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θ处。

（3）由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与θ间存在着确定的对应关系，即θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又正比于液位高度h，因此可直接从刻度盘上读得液位高度h。（4）当油箱中的油位降低时，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，使RP阻值减小。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角θ处。

图4-15电容式油量表1—油箱；2—圆柱形电容器；3—伺服电动机；4—减速箱；5—油量表4.3.2电容式液位计当两极板间的绝缘液体液位越高时，极板之间的电容量也就越大。当被测介质是导电的液体（例如水溶液）且液罐是导电金属时，可以将液罐接地，并作为液位计的外电，这时内、外电极的极距只是聚四氟乙烯套管的壁厚。

（a）（b）图4-16电容液位计（a）原理图；（b）外形图

4.3.3差动式电容测厚传感器

电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测。在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。

图4-17差动式电容测厚仪系统组成框图4.3.4电容接近开关

当没有物体靠近检测极板时，上、下检测极板之间的电容量C非常小，它与电感L（在测量转换电路板5中）构成高品质因数的LC振荡电路。当被检测物体为导电体时，上、下检测极板经过与导电体之间的耦合作用，形成变极距电容C1、C2。电容量比未靠近导电体时增大了许多，引起LC回路的Q值下降，输出电压Uo随之下降，Q值下降到一定程度时振荡器停振。（a）图4-18圆柱形电容接近开关的结构及原理框图（a）电容接近开关结构；（b）原理框图1—被测物；2—上检测极板；3—下检测极板；4—充填树脂；5—测量转换电路板；6—塑料外壳；7—灵敏度调节电位器；8—工作指示灯；9—三线电缆

本章小结电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它结构简单、体积小、分辨率高，可非接触式测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。广泛应用于压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等多方面测量。随着电容测量技术的迅速发展，电容式传感器在非电量测量和自动检测中得到了广泛的应用。

思考题与习题4-1根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每种类型有什么特点？适用于什么场合？4-2试分析变面积式电容传感器的灵敏度?怎么提高传