智能传感与检测技术 课件 第2章电容式传感器

机械工业出版社CHINAMACHINEPRESS电容传感器第2章智能传感与检测技术徐小华主编

ISBN978-7-111-76072-6电容传感器02智能传感与检测技术电容式传感器的原理与结构2.1电容式传感器的测量转换电路2.2电容式传感器的应用实例2.32.1电容传感器的原理与结构请输入您的标题电容传感器02电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为：式中A——两极板相互遮盖的有效面积（m2）；d——两极板间的距离，也称为极距（m）；ε

——两极板间介质的介电常数（F/m）；εr——两极板间介质的相对介电常数；ε0——真空介电常数,ε0=8.85

10-12(F/m)智能传感与检测技术电容传感器02由式可知，电容量C与A、d、ε三个参量有关。当改变A、d、ε三个参量中的任意一个量，都会引起电容C的变化。

若保持其中任意两个参量不变，只改变另一个参量，那么该参量的变化就能转换为电容量的变化，这就是电容传感器的基本工作原理。2.1电容传感器的原理与结构智能传感与检测技术电容传感器02根据引起电容量变化的参量的不同，电容传感器可以分为三种类型：改变遮盖面积型电容传感器变极距型电容传感器变介电常数型电容传感器2.1电容传感器的原理与结构智能传感与检测技术2.1.1变遮盖面积型电容式传感器电容传感器02

图（a）是直线位移式结构，极板A固定不动，称为定极板，极板B能够左右移动，称为动极板，与被测物相连。当被测物移动时会带动极板B发生位移，从而改变与定极板A的相互遮盖面积，使两极板间的电容量发生变化。

图（b）是角位移式结构，当动极板围着转轴发生旋转时，两极板的遮盖面积会发生变化。2.1电容传感器的原理与结构智能传感与检测技术2.1.2变极距型电容式传感器电容传感器02当动极板随着被测物体发生位移时，两极板之间的距离d就会发生变化，从而使电容量发生变化。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。2.1电容传感器的原理与结构智能传感与检测技术2.1.2变极距型电容式传感器电容传感器02

一般变极距型电容传感器的起始电容在20-30pF，极板间距在25-200um，最大位移通常小于极距的1/10。所以，在实际应用时，为了减小非线性，提高灵敏度，多采用差动式结构，如图所示。在差动式变极距型电容传感器中，上下两个极板为定极板，中间极板为动极板。当动极板向上移动后，C1的极距变减小，电容量增加，而C2的极距增大，电容量减小，二者形成差动变化，经测量转换电路后，其灵敏度提高1倍，非线性误差也会大大降低。此外，差动式电容传感器能减小由引力给测量带来的影响，并有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差。2.1电容传感器的原理与结构智能传感与检测技术2.1.3变介电常数型电容式传感器电容传感器02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。

变介电常数型电容式传感器可以用来测量位移、液位、物位等参数。

上下两极板保持相互遮盖面积和极距不变，相对介电常数为εr2的电介质插入电容器中的深度发生变化时，两种介质的极板覆盖面积也会发生变化，从而使电容器的电容量发生变化。被测介质εr2进入极板间的深度与引起电容量的变化成线性关系。2.1电容传感器的原理与结构智能传感与检测技术2.1.3变介电常数型电容式传感器电容传感器02表中给出了几种介质的相对介电常数介质相对介电常数介质相对介电常数真空1干的纸2-4空气略大于1干的谷物3-5聚四氟乙烯2.0云母5-8聚丙烯2-2.2二氧化硅38聚苯乙烯2.4-2.6高频陶瓷10-160硅油2-3.5纯净的水80聚偏二氟乙烯3-5压电陶瓷、低频陶瓷1000-10000盐6纤维素3.9

2.1电容传感器的原理与结构2.2.1调频电路电容传感器02调频电路是将电容传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，振荡器的频率受电容传感器电容的调制。当被测参数变化导致电容量发生变化时，LC振荡器的振荡频率就会发生变化，从而实现C/f转换。图为振荡器调频电路方框图，振荡器输出频率的变化在鉴频器中转化电压幅度的变化，经过放大器放大、检波之后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。2.2电容传感器的测量转换电路智能传感与检测技术2.2.1调频电路电容传感器02

振荡器的振荡频率由下式决定：式中

L——振荡回路的固定电感

C——振荡回路总电容C包括振荡回路的固有电容、传感器的引线分布电容以及传感器的电容，即2.2电容传感器的测量转换电路智能传感与检测技术2.2.2脉冲宽度调制电路电容传感器02

2.2电容传感器的测量转换电路智能传感与检测技术2.2.2脉冲宽度调制电路电容传感器02

图为电容传感器的脉冲宽度调制电路。当双稳态触发器的Q端输出为高电平时，A点通过R1对C1充电，F点电位逐渐升高。Q在端为高电平期间，~Q端为低电平，电容C2通过低内阻的二极管VD2迅速放电，G点电位被钳制在低电平。当F点电位升高超过参考电压时，比较器A1产生一个“置零脉冲”，触发双稳态触发器翻转，A点跳变为低电位，B点跳变为高电位。此时C1经二极管VD1迅速放电，F点被钳制在低电平，而同时B点高电位经R2向C2充电。当G点电位超过UR时，比较器A2产生一个“置1脉冲”，使触发器再次翻转，A点恢复为高电位，B点恢复为低电位。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受电容C1、C2调制的脉冲波形，实现C/U转换。对于差动脉冲宽度调制电路，不论是改变平板电容器的极距或是极板相互遮盖面积，其变化量与输出量都呈线性关系。2.2电容传感器的测量转换电路智能传感与检测技术2.2.3运算放大器电路电容传感器02

运算放大器具有放大倍数非常大、输入阻抗很高的特点，因而可以作为电容传感器比较理想的测量电路，其电路图如图所示，Cx为电容传感器。在放大倍数和输入阻抗趋近于无穷大时，运算放大器的输出电压与动极板的机械位移d（即极板距离）呈线性关系，运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。由于实际使用的运算放大器的放大倍数K和输入阻抗总是一个有限值，所以该测量电路仍然存在一定的非线性误差，但在二者足够大时，这种误差非常小。2.2电容传感器的测量转换电路智能传感与检测技术2.2.4电桥电路电容传感器02

电桥初始状态调至平衡，当传感器电容C变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的幅值随C而变化。电桥输出电压为2.2电容传感器的测量转换电路

这种交流电桥测量电路要求提供幅度合频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗Zi很高。智能传感与检测技术2.2.5双T电桥电路电容传感器02

双T电桥电路具有以下特点：1.信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共的接地点。2.二极管VD1和VD2工作在伏安特性的线性段。3.输出电压较高。4.电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。5.可以用作动态测量。2.2电容传感器的测量转换电路智能传感与检测技术2.3.1电容料位计电容传感器02

1、被测物料为导电体如图所示，电容料位计以直径为d的不锈钢或紫铜棒做电极，外套聚四氟乙烯塑料绝缘套管。将其插在储液罐中，此时导电介质本身为外电极，内、外电极极距为聚四氟乙烯塑料绝缘套管的厚度，当料位发生变化时，内、外极板的相对面积发生变化，从而使电容量随之变化。2.3电容传感器的应用实例1——内电极2——绝缘套管智能传感与检测技术2.3.1电容料位计电容传感器02

2、被测物料为绝缘体如图所示，电容料位计可采用裸电极作为内电极，外套以开有液体流通孔的金属外电极，通过绝缘环装配。当被测液体的液面在两个电极间上下变化时，电极间介电常数不同的两种介质（上面部分为空气，下面部分为被测液体）的高度发生变化，从而使得电容器的电容量改变。被侧液位的高度正比于电容器电容量的变化。2.3电容传感器的应用实例1——内电极2——绝缘套管3——绝缘环4——外电极智能传感与检测技术2.3.2电容测厚仪电容传感器02

电容测厚仪工作原理如图所示。在被测金属带材的上方和下方分别放置一块面积相等、与带材距离相等的定极板，则定极板与金属带材之间就形成了两个电容器C1、C2，将两个电容并联，总电容为C=C1+C2。当带材的厚度发生变化时，就会引起两电容器的极距增大或减小，从而使电容C发生变化，用交流电桥将电容的变化量检测出来，通过放大电路放大，可由显示仪器显示出带材厚度的变化。使用上下两个极板是为了克服带材在传输过程中的上下波动带来的误差。2.3电容传感器的应用实例智能传感与检测技术2.3.3差动式电容压力传感器电容传感器02

图示为一种小型差动式电容压力传感器。它由金属弹性膜片与镀金凹型玻璃圆片组成，被测压力p1、p2分别通过上下两个进气孔进入空腔。当两侧压力p1=p2时，弹性膜片处在中间位置，与上下定极距离相等，因此两个电容相等；当p1>p2时，弹性膜片向上弯曲，两个电容值一个增大、一个减小，且变化量相等；当p1<p2时，压差反向，差动电容的变化量也反向。电容值的变化量经测量转换电路最终转换成与压力或压力差相对应的电压或者电流的变化。电容式差压传感器的灵敏度和分辨率都很高，其灵敏度取决于初始间隙d0，d0越小，灵敏度越高。2.3电容传感器的应用实例智能传感与检测技术2.3.4电容式湿度传感器电容传感器02

电容式湿度传感器有效利用了两个电极间的电容量随湿度变化的特性，其基本结构如图2-14所示。湿敏材料作为电介质，在其两侧面镀上多孔性电极，当相对湿度增大时，湿敏材料吸收空气中的水蒸气，使两极板间介质的相对介电常数增加（水的相对介电常数为80），从而使电容量增大。2.3电容