第6章电容式传感器

d d0 C d C0 1 d d 0 d0
若d从d0→ d0- Δd, 电容量C0→ C0 +ΔC, 则有
1 C ( 1) d d 0 d d 0 d 0 1 d0 d 当 1 时，变极距式电容传感器有近似线性关系，此时灵敏度
d0
A
A
A
f
1
运算放大器式电路
运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄
漏）、放大倍数大（接近理想放大器）
C Uo U i Cx
Cx
A
d
CU i d Uo A
特点：
解决了单个变极板间距离式电容传感器的 非线性问题

要求Zi及放大倍数足够大
12
为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值 和固定电容稳定
Uref
d 2 d1 U1 d1 d 2
当d1 =d0 -Δd, d2 = d0+Δd时，有 d u AB U1 d0
电容式传感器的应用（1）

电容式压力传感器
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电容式传感器的应用（2）

加速度传感器
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电容式传感器的应用（3）

差动式电容测厚传感器
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第六章作业： p78 4
C 1 d d0 为了获得高灵敏度，一般d0较小，但—— d0过小易引起电容器击穿或短路，可放置高介电常数材料如云母片 K
C
c
dg d0
A dg
0 g

0
d0
对于云母， g 6 ~ 8.5
图5-4 放置云母片的电容器
一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20～100pF之间, 极 板间距离在25～200μm的范围内, 最大位移应小于间距的1/10, 故在 微位移测量中应用最广。
电容器式传感器的灵敏度及非线性

灵敏度（变面积型）
K C

非线性
C d 1 C0 d 0 1 d d0
C 1 （忽略了线性及以上高次项） d d0
2 3 泰勒展开 C d d d d d [1 ...] C0 d0 d0 d0 d0 d0

平来自百度文库式
电容变化与电介质的移动量L成 线性关系
8
r ( L0 L) r L c c1 c2 0b0 d0 0 ( r 2 r1 ) Lb0 C0 d0
1 2
可用来测量纸张、绝缘薄膜等的 厚度，也可用来测量粮食、纺织 器、木材或煤等非导电固体介质 的湿度。
电容传感器的等效电路
Rs
Lc C Rp 简化 Lc C
计算有效电容Ce:
1 1 jLc jC e jC Ce C 1 2 Lc C
两点注意：
工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频 率破坏了电容的正常作用。因此，工作频 率应该先择低于谐振频率。 电容式传感器的有效电容除与位移有关外， 还与角频率有关。因此，在实际应用时必 须与标定的条件（ω）相同。
C C1 C 2 C0 [2
d d d 2( ) 3 2( ) 5 ...] d0 d0 d0
目的： 提高灵敏度 减小非线性误差
C d d d d 2 2( )3 2( )5 ... 2 C0 d0 d0 d0 d0
灵敏度：
K C C 2 d d0

柱式
c 2 0 ( H h) 2 1h D D ln ln d d 2 0 H 2h( 1 0 ) D D ln ln d d 2h( 1 0 ) C0 D ln d
电容的增量正比于被测液位高度， 可测量一种流体的液位高度
7
变介质型电容式传感器
d ( ) d0 d d0
2
非线性误差：
d d ( ) ( ) ... d0 d0 d d0
2 3


100%
d 100% d0
差动平板式电容传感器
1 d d d C0 [1 ( ) 2 ( )3 ...] 1 d / d 0 d0 d0 d0 1 d d d C2 C0 C0 [1 ( ) 2 ( )3 ...] 1 d / d 0 d0 d0 d0 C1 C0
非线性误差：
2 ( d / d 0 ) 3 2( d / d 0 )
100 % (
d 2 ) 100 % d0
变面积型电容传感器
变面积型电容传感器
图5-5 变面积型电容传感 器原理图
图5-6
电容式角位移传感器原理图
c x c0 a
c c0
变电介质型电容式传感器
C2 G
U 1 (T1 T2 ) u AB u A u B T1 T2

设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0
T1 R1C1 ln U1 U1 U ref U1 T2 R2 C 2 ln U 1 U ref
u AB C1 C 2 U1 C1 C 2

由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难
二极管双T形交流电桥
正负半周分析： 正半周：C1充电，电流顺时针； C2放电，电 流逆时针 负半周： C2充电，电流逆时针； C1放电，电 流顺时针 若C1 = C2，则电流抵消，若C1 ≠C2，则RL有 信号输出
1 T U o I L RL { [ I1 (t ) I 2 (t )] dt} RL T 0 R( R 2 RL ) RLU i f (C1 C 2 ) U i f M (C1 C2 ) 2 ( R RL )
第五章 电容式传感器
电容式传感器的工作原理和结构

电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化。 平板电容器的电容
c
A
d

根据被测参数的变化分：

变极距型电容传感器(d) 变面积型电容传感器(A) 变介质型电容传感器(ε)
变极距型电容传感器
c0
A
d0
( 0 r)
电容式传感器的测量电路

电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。 理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路， 但由于电容及变化太小，不易实现。

调频电路 运算放大器式电路 二极管双T形交流电桥 脉冲宽度调制电路
调频电路
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2 LC 特点： 转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。 具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。 但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号 后，进行补偿。
几点说明：
该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源 的稳定性对输出直接产生影响。 当电容以PF级变化时，输出以V级变化。

脉冲宽度调制电路
D1
A1

A2
D双Q 稳 A R 1 态 触 uo 发 R D- 器 B 2 QD2
F

C1
C1充电，VF 。当VF >Vref时，D=0 Q=0，信号反转，Q=1。C1经D1放电。 C2充电，VG 。当VG >Vref时，D=0 Q=0，Q=1，再次反转。C2经D2放电。