《传感器与检测技术》课件-项目四 电容式传感器及其应用

项目四电容式传感器及其应用知识目标

了解变间隙式、变面积式和变介电常数式电容传感器的结构形式；掌握平板电容器的电容计算公式，并能以此式说明三类电容器的工作原理；了解变间隙式、变面积式电容传感器的基本特性；掌握差动式传感器的主要优点；了解运算放大器、脉冲电路等测量电路的工作原理；掌握电容传感器的主要特点；了解电容式压力、加速度、位移传感器的

主要组成部分及工作原理；掌控常用交流电桥测量电路的组成，平衡条件和主要特点。

技能目标

根据实际要求将位移、振动、角度、压力等机械量及液面、料面、成分含量等热工参量转换为电压、电流或频率信号，并能选择合适的电容式传感器的结构形式和测量电路。

任务一电容式传感器的工作原理

及其结构形式

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:在

、S、d三个参量中，改变其中任意一个量均可使电容量C改变，也就是说，电容量C是

、S、d的函数，这就是电容传感器的工作原理。根据这个原理，在应用上一般可做成四种类型的电容传感器。知识准备1．变面积（S）式电容传感器1—动极片2—定极片a)平板形位移传感器b）角位移形传感器c）园柱形位移传感器

图4-1a所示为平板形位移电容传感器。设两极板遮盖面积为S，当动极移动x后，S值发生变化，电容量CX也随之改变。此传感器的灵敏度K可用下式求得：

图4-1b为角位移形式电容传感器。当动片有一角位移

时，两极板的相对应面积S发生改变，导致两极板间的电容量发生变化。当

=0时

当

≠0时

其灵敏度为：图4-1c为角位移形式电容传感器，设内外电极长度为l，起始电容量为C0，动极板向上位移y后，电容量变为Cy，则其灵敏度为：改变遮盖面积的电容传感器还可以做成其他形式，这一类传感器多用来检测位移、尺寸等参量。2．变极矩（d）式电容传感器1—动极片2—定极片a)结构示意图b）电容量与极板距离的关系（c—d特性曲线）

设极板2未动时即传感器的初始电容量为当动极板2移动x值后，其电容值Cx为：当x<<d0

时，即位移x远小于极板初始距离d0时，则上式可写为变极距式电容传感器的灵敏度为：

变极矩式电容灵敏度较高，微小的位移即可产生较大的电容变化量，一般变极距电容传感器的起始电容在20～300pF之间，极板距离在25～200μm的范围内，测量的最大位移应该小于两极板间距的1/10。该类传感器只适于微米数量级的位移测量。3．变介电常数（

）式电容传感器气体介质间的电容量C1为：液体介质间的电容量C2为：因此总电容C为如令则有：灵敏度为：图4-4a中电容量与介质参数之间的关系为：图4-4b中电容量与介质参数之间的关系为：4．差动电容传感器传感器a)变面积式差动电容传感器b）旋转形差动电容传感器c）园柱形差动电容传感器任务二电容式传感器的测量转换电路

电容式传感器把被测物理量转换为电容变化量后，为了使其变化量能传输、放大、运算、显示和记录等，还必须采用转换电路将其转换为电压、电流或频率信号。电容传感器的转换电路种类很多，以下介绍几种常用的转换电路。知识准备1．电桥电路a)单臂电桥b）差动接法交流电桥平衡时有：

当Cx改变时，U0≠0，有输出电压。在图4-6b的电路中，接有差动电容传感器，其空载输出电压可用下式表示：应该指出：由于电桥输出电压与电源电压成比列，因此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。在要求精度很高的场合，如飞机油量表，可采用自动平衡电桥，传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大。在实际应用中，接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高（一般达几兆欧至几十兆欧），输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。

电桥电路输出是调幅波，其载波频率为电桥电源频率，其幅值与被测量成比例，因此电桥电路也称作调幅电路或振幅电路。由电桥电路组成的系统原理框图，如图4-7所示。2．调频电路将电容传感器接入高频振荡器的LC谐振回路中，作为回路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容，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，因此称作调频电路。调频振荡器的频率可由下式决定：C=C1+C0±ΔC+C2式中：L为谐振回路的电感；C为总电容；C1为谐振回路的固有电容；C2为传感器引线的分布电容；C0±ΔC为传感器的电容。调频电路的原理框图，如图4-8所示。a)直放式调频

b)外差式调频调频电路的灵敏度高，频率输出易于得到数字输出而不需要用A/D转换，能获得高电平的直流信号（伏特数量级），而且这种电路抗干扰能力强，可以发送、接受，实现遥测遥控。但调频电路的频率受温度和电缆电容影响较大，需采取稳频措施，电路较复杂，频率稳定度不高，而且调频电路输出非线性较大，需采用线性化电路进行补偿。3．差动脉冲调宽电路a)C1=C2时的波形图b)C1>C2时的波形图设R1=R2=R，则可得

脉冲宽度调制电路特点：（1）不论是对于变面积式还是变极距式电容传感器，均能获得线性输出；（2）双稳态输出信号一般为100Hz～1MHz的矩形波，所以直流输出只需经滤波器滤波后引出即可；（3）电路采用直流电源，虽然要求直流电源的电压稳定度较高，但较其他测量电路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电源易于实现。4．运算放大器式电路

由理想运算放大器的工作原理可得：将式代入可得5．二极管T型网络该电路具有以下特点：1）电源、传感器电容、平衡电容以及输出电路都接地；2）工作电平很高，二极管VD1和VD2都工作在特性曲线的线性范围内；3）输出电压高；4）输出阻抗为R1或R2（1～100KΩ），且实际上与电容C1和C2无关。适当选择电阻R1和R2，则输出电流就可用毫安表或微安表直接测量；5）输出信号的上升时间取决于负载电阻，因此上升沿时间很短，可用来测量高速机械运动。6．使用转换电路的注意事项任务实施1．电容式应变计2．电容测厚仪1—传动轮2—轧辊3—电容极板4—金属带材3．电容式荷重传感器1—绝缘支架2—电容极板3—镍铬钼钢块4．湿度传感器a)平面结构b)侧面结构c)等效电路1—两个上下电极2—下电极3—介质膜电容物位计电容式压力传感器1—隔离膜片；2，7—固定电极；3—硅油；4—测量膜片；5—玻璃层；6—底座；8—引线电容式加速度计5．电容传感器的优缺点及使用范围电容传感器优点：（1）结构简单、适应性强，能在恶劣的环境条件下工作。电容传感器的结构简单，易于制造，易于保证高的精度。一般用金属做电极，无机材料作绝缘支架，可以做的非常小巧，以实现某些特殊测量。有电容传感器通常不使用有机材料或磁性材料，因此能在高温、低温以及强辐射、强磁场等各种恶劣环境下工作，适应能力强。（2）本身发热影响小、温度稳定性好

电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，其所用真空、空气或其他材料作绝缘介质时，介质损耗很小，因此电容传感器本身发热问题可以忽略不计。（3）需要的作用能量小由于带电极板间的静电吸引力很小，因此只需较小的作用力，就可得

到较大的电容变化量，所以电容传感器特别适宜用来解决输入能量低的信号的测量问题。（4）可获得较大的相对变化量电容传感器的相对变化量只受线性和其他实际条件的限制，当使用高线性电路时，电容传感器的相对变化量可到100%或更大，因此具有较高的信噪比。（5）动态相应快电容传感器的动片质量轻、输入能量低、固有频率高、载波频率高，因而动

态相应快，可用于测量高速变化的参数如测量震动、瞬时压力等。（6）可以实现非接触测量，具有平均效应当被测物体不能受力、高速运动、表面不连续或表面不允许划伤等不允许采用直接接触测量的情况下，电容传感器可以完成测量任务。例如测量回转轴的振动偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容传感器缺点：（1）输出阻抗高，负载能力差电容传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制不易做得很大，一般为几十到几百微法，因此电容传感器的输出阻抗高。尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗更高，因而负载能力差，易受外界干扰影响而产生工作不稳定现象，因而必须采取必要的措施以保证电路正常工作。（2）输出特性非线性

变极距式电容传感器的输出特性是非线性的，即电容量和极板间的距离是非线性关系，虽然用差动式结构可以得到改善，但是由于存在寄生电容和不可避免的不一致性，也不可能完全消除输出特性的非线性。（3）寄生电容的影响电容传感器的初始电容小，而连接传感器和转换电路的引线电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与周围导体

构成的所谓“寄生大电容”却较大，这些电容的存在减低了传感器的灵敏度及转换效率，而且由于这些电容常常是随机变化的，将使仪器的工作很不稳定，影响测量精度，所以需要采用相应屏蔽措施来保证测量电路正常工作。应用场合：测试直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、液位、成分含量（如油、粮食中的含水量）、非金属材料的涂层油膜等的厚度，