电容传感器课件1

电容传感器

电容传感器是一种将被测物理量如尺寸、压力等的变化转换为电容量变化的传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、分辨率高、结构简单、易于实现非接触测量和能在恶劣环境下工作等优点。尽管它的应用已有几十年历史，但近些年来，随着微电子技术，特别是集成电路的出现，材料、工艺和结构、设计上的改进，过去影响它广泛应用的缺点如存在分布电容、外部干扰和非线性等不断得到克服，使它在自动检测和自动控制中重新获得广泛的应用。10.1工作原理和分类

10.1.1工作原理由物理学原理可知，两平行极板组成的电容器，如忽略边缘效应，其电容量为

C=(F)（10.1.1）下一页

10.1工作原理和分类

10.1.2电容传感器的分类和特性一、变极距型电容传感器图10.1.1是变极距型平板电容传感器的结构原理图。如图10.1.1（a）所示，当动极板在被测量作用下发生位移，并使间隙减少Δd时，此时电容C将为

C=εA/(d-Δd)

（10.1.2）

上式表明C=f（d）特性如图10.1.1（b）所示是双曲函数。如果电容传感器输出为容抗xc=1/ωC，那么xc与初始容抗x0=1/ωC0之间呈线性关系。二、

变面积型1角位移式当动极板有一角位移θ时，两极板覆盖面积A就改变，从而改变了两极板之间的电容量。这种型式的电容传感器电容C与角位移θ呈线性关系。

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(a)结构图；(b)特性曲线图

1—定极板；2—动极板

10.1工作原理和分类

2直线位移式当动极板移动Δx后，两极板之间的电容为

C=εb(a

-Δx)/d

电容变化量为

ΔC=C-C0=-εbΔx/d（10.1.6）传感器灵敏度为

K=ΔC/Δx=-εb/d（10.1.7）由此可见，直线位移式传感器的特性是线性的，且增加b或减少d均可提高传感器的灵敏度。但增加b值会受结构的限制，减小d值会受电场强度的限制。

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3圆筒式圆筒式变面积型电容传感器结构原理如图10.1.2（c）所示。由物理学知道，圆柱形电容器的电容为

C0=2πεl/ln(R/r)（10.1.8）式中，l

——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；

R,r

——外圆筒的内半径与内圆柱的外半径。对于单边圆柱形线位移式（如图10.1.2（c）示），当忽略边缘效应，动极板位移Δl时，电容变化量为

ΔC=C0Δl/l（10.1.9）显然也是呈线性关系。近些年来，在变面积型电容传感器的基础上发展出一种新型电容传感器，称为容栅传感器，它可分为长容栅和圆容栅两类，如图10.1.3所示，在图10.1.3（a）、图10.1.3（b）中，1是固定容栅，2是可动容栅，在它们的面上分别通过印刷（或光刻）的方法，制成一系列均匀分布并互相绝缘的金属（如铜箔）栅极。

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上一页图10.1.2

变面积型电容传感器结构原理图

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（a）角位移式；（b）直线位移式；（c）圆筒式

1—定极板；2—动极板

图10.1.3容栅传感器结构原理图返回（a）长容栅；（b）圆容栅；（c）柱状圆容栅；（d）特性曲线1—固定容栅；2—可动容栅

10.1工作原理和分类

容栅传感器除了具有一般电容传感器的优点外，还因是多极电容及其平均效应，因此分辨率更高，测量精度高，对极板刻制精度和安装等要求不高，量程大，现已应用于数显量具、雷达测角系统等重要场合一种很有发展前途的传感器。三、变介电常数型变介电常数型电容传感器结构原理如图10.1.4所示，这种传感器大多用来测量电介质的厚度、位移、液位等，还可根据电介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。（1）对图10.1.4（a）所示测厚型，电容为

（10.1.12）上一页下一页图10.1.4变介电常数型电容传感器结构原理图

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（a）测厚型；（b）位移型；（c）圆筒位移型

1—定极板；2—被测物

10.1工作原理和分类

（2）对图10.1.4（b）所示的位移型（10.1.13）（3）对图10.1.4（c）所示圆筒位移型

（10.1.14）

四、差动式电容传感器在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，改善非线性和减小外界因素（如电源电压、环境温度等）的影响，电容传感器也常做成差动型，图10.1.5所示为几种差动式电容传感器结构原理图。

上一页返回图10.1.5差动式电容传感器

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（a）变极距型；（b）变面积型

1—定极板；2—动极板

10.2

电容传感器的测量电路10.2.1桥式电路

图10.2.1所示为桥式测量电路，图10.2.1（a）为单臂接法的电桥。图10.2.1（b）是接有差动电容传感器的电桥，其空载输出电压为

U0=-UΔC/C0（10.2.1）式中，U——工作电压；

C0

——电容传感器平衡状态时初始电容；

ΔC

——电容传感器的电容变化值。10.2.2紧耦合电桥电路图10.2.2为紧耦合电桥电路的原理图。该电路的特点是将两个紧密耦合线圈作为两桥臂，差动电容器的两个电容作为另两桥臂。在高负载阻抗(ZL→∞)情况下，它的输出为

（10.2.2）

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电容传感器的桥式测量电

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（a）单臂式；（b）差动桥图10.2.2

紧耦合电桥测量电路

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（a）电路原理图；（b）电桥灵敏度曲线10.2

电容传感器的测量电路10.2.3差动脉冲调宽电路

它又称为脉冲调制电路，如图10.2.3所示。输出电压U0AB经低通滤后，即可得到一个直流输出电压U0，在理想情况下，U0AB平均值为

（10.2.3）当电阻R1=R2=R时，（10.2.4）

从上式可知，输出电压的大小正比于C1与C2的差值，输出电压的极性与C1、C2大小有关。

上一页下一页10.2

电容传感器的测量电路10.2.4谐振电路谐振转换电路如图10.2.5（a）所示。高频电源经变压器供给绕组电感L，并与可调电容C、被测电容Cx构成谐振电路。谐振回路的输出电压U经放大器放大后由仪表读出，也可转换成数字输出。改变调谐电容C，使振荡回路调节在和振荡频率ωr相接近的频率上，并让它的电压为谐振电压Um的一半，在图10.2.5（b）所示特性曲线的N点，以保证电容量变化ΔC引起输出电压变化在线性范围内，实际上也保证了被测物理量与输出的单值关系。该电路的优点是有很高的灵敏度。高频电源的频率ωr可按谐振回路中已知参量C、L、C、x来确定。返回上一页图10.2.3差动脉宽调制电路

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图10.2.5电容传感器的谐振电路

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（a）电路原理图；（b）特性曲线10.3电容传感器的应用

电容传感器可用来测量直线和角位移、振动振幅（至0.05μm），尤其适合测量高频振动振幅、加速度等机械量，还可用来测量压力，压力差，液体成分含量（如油、粮食中的含水量），非金属材料的涂层、油膜的厚度，测量电介质的温度、密度和厚度等。在自动检测和控制系统中还常用来作为位置信号发生器，应用十分普遍。10.3.1电容式差压传感器

图10.3.1是电容式差压传感器结构原理图。这种传感器结构简单、灵敏度高，响应速度快（约100ms），能测微小差压（0～0.75Pa）。结构上它由两个玻璃圆盘和一个金属膜片（不锈钢）组成。

上一页下一页图10.3.1电容式差压传感器结构示意图及转换电路返回(a)结构原理图；(b)测量转换电路原理图

1—玻璃盘；2—镀金层；3—金属膜片；

10.3电容传感器的应用10.3.2电容式加速度传感器电容式加速度计结构原理如图10.3.3所示。质量块由两片片簧支撑于充满空气的壳体内，弹簧较硬，使系统固有频率较高，因此构成惯性加速度的工作方式。由于采用空气阻尼，气体黏度的温度系数比液体小得多，因此这种加速度计精度较高，频率响应范围宽，量程大。

10.3.3电容式位移传感器

图10.3.4是一种单电极的电容式振动位移传感器。它的平面测量端是电容的一极板，通过电