第四章电容式传感器-PPT文档资料
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第4章-电容式传感器资料
,
D1
L ：筒长
C0
rL
1.80ln D0
(L/
cm ; C
/
pF )
D1
D1 a
L
当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当
内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：
D0
圆柱形电容式线位移传感器
C1
2
0r L
ln D0
a
C
0
1
a L
,
与a成线性关系。
D1
1.3 变介质型电容式传感器
厚度传感器
聚四氟乙烯外套
设定按钮
智能化液位传感器的设定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当液位达到设定值 时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正 常使用时，当水位高于该点后，即可发出报 警信号和控制信号。
4-1 电容式传感器的工作原理
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：
电 容式传感器
变间隙型
变面积型
变介质型
在实际使用时，电容式传感器常以改变平行板间 距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高 于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级 的位移，而改变面积A的传感器只适用于测量厘 米数量级的位移。
1. 变极距型电容传感器
下图为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr
概述
电容式传感器是实现非电量到电容量转 化的一类传感器。 可以应用于位移、振动、角度、加速度等参 数的测量中。 由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨 率高，且可非接触测量，因此很有应用前景。
电容式液位计
棒状电极（金属管）外面包裹聚 四氟乙烯套管，当被测液体的液面上 升时，引起棒状电极与导电液体之 间的电容变大。
自动检测技术及应用-第4章 电容式传感器及其应用.ppt
2020/11/5
8
变面积式电容传感器的特性
变面积式电容传感器的输出特性是线性的， 灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位 移、角位移、尺寸等参量。
你能否画出变面积式电容传感器的输出特性 曲线??
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9
2、变极距（d）式电容传感器
当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两
极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。
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一、 电桥电路
将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂 (另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可 以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个 二次线圈。
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１、单臂接法的桥式测量电路（图a）
电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，CX为
电容传感器,
交流电桥平衡时有：
c c1 c2
根据： CA0rA
dd 输出电容C与液面高度h
成线性关系 。
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15
当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之 加大，因而电容量增大。反之当液位下降，ε值 减小，电容量也减小。
所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量 液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两 种介电常数思考：我们已经学习了哪些差动形式？
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18
休息一下
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19
§4.2 电容式传感器的 测量转换电路
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20
被测非电量
电容式 传感器
转换电路
电容变化
电量
转换电路实现将微小的电容变化转换为电压、 电流或频率等信号。
电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算 放大器式电路、二极管双T型交流电桥等。
第4章 电容式传感器
二、变极距型电容传 极距型电容传 感器
+ + +
+ + +
C =
ε 0εA δ
A
d
初始电容量C0为 ：
εr
C0 =
∆C，则有
ε 0ε r S
d0
若电容器极板间距离由初始值d0缩小了∆d，电容量增大了
C0 = C = C0 + ∆C = d 0 − ∆d 1 − ∆d d0
ε 0ε r S
C C
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。
在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差， 大都采用差动式结构。 在差动式平板电容器中，当动极板位移∆d时，电容器 C1的间隙d1变为d0-∆d，电容器C2的间隙d2变为d0+∆d, 则
δ
(a)
(b)
(c)
(d )
δ2
(e)
δ1
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
一、变面积式电容传感器
1、角位移型
+ + +
2、平面线位移型
3、柱面线位移型. 柱面线位移型.
a d ∆x S b
∆C = C − C0 =
x
ε 0ε r ∆x ⋅ b
d
式中C0=ε0εr ab/d 为初始电容。电容相对变化量为
可见，输出电容的相对变化量∆C/C0与输入位移∆d之间成 非线性关系，当|∆d/d0|<<1时可略去高次项，得到近似的 线性关系：
∆C ∆d ≈ C0 d0
第四章 电容式传感器
电容传感器在高温、高湿 及高频激励条件下工作而不 可忽视其附加损耗和电效应 的影响时其等效电路为
C—传感器电容； CP—寄生电容
RP—低频损耗并联电阻， 它包含极板间漏电和 介质损耗；
RS—高温、高湿、高 频激励工作时的串联 损耗电阻，它包含导 线、极板间和金属支 座等损耗电阻；
L—电容器的引线电感；
缘效应时,其电容量为
金属平板
CS 0rS
dd
0为真空介电常数，0=8.85x10-12,F/m;
r为介质的相对介电常数， r= /0;
保持三个参数中的两个不变,则电容就是其 中一个参数的单值函数. 根据发生变化的参数的不同，电容式传感器 相应地分为以下三种类型。
2. 电容式测厚仪
该电容器的总电容 C等于两种介质分 别组成的两个电容 C1与C2的串联，即
CC C 11 C C 22d S Sx x x xS Sxxd xS xxxd (xS x)x
dx x
第四章 电容式传感器
第二节 电容式传感器应用中 存在的问题及其改进措施
第四章 电容式传感器
一、等效电路
2 x x ln R
r
h 为电极高度; R 为外电极的内半径; r 为内电极的外半径.
第四章 电容式传感器
C 2 (hl n R xxx)2 ln R h2 (ln xR )xabx
r
r
r
a
2 h ln R
r
b 2 ( x )
ln R r
液面计的输出电容C与液
面高度 x成线性关系。
第四章 电容式传感器
则当 d d0 时，电容总的相对变化量为
CC1C2 2d
C0
C0
d0
由此可求出传感器的灵敏度为
C—传感器电容； CP—寄生电容
RP—低频损耗并联电阻， 它包含极板间漏电和 介质损耗；
RS—高温、高湿、高 频激励工作时的串联 损耗电阻，它包含导 线、极板间和金属支 座等损耗电阻；
L—电容器的引线电感；
缘效应时,其电容量为
金属平板
CS 0rS
dd
0为真空介电常数，0=8.85x10-12,F/m;
r为介质的相对介电常数， r= /0;
保持三个参数中的两个不变,则电容就是其 中一个参数的单值函数. 根据发生变化的参数的不同，电容式传感器 相应地分为以下三种类型。
2. 电容式测厚仪
该电容器的总电容 C等于两种介质分 别组成的两个电容 C1与C2的串联，即
CC C 11 C C 22d S Sx x x xS Sxxd xS xxxd (xS x)x
dx x
第四章 电容式传感器
第二节 电容式传感器应用中 存在的问题及其改进措施
第四章 电容式传感器
一、等效电路
2 x x ln R
r
h 为电极高度; R 为外电极的内半径; r 为内电极的外半径.
第四章 电容式传感器
C 2 (hl n R xxx)2 ln R h2 (ln xR )xabx
r
r
r
a
2 h ln R
r
b 2 ( x )
ln R r
液面计的输出电容C与液
面高度 x成线性关系。
第四章 电容式传感器
则当 d d0 时，电容总的相对变化量为
CC1C2 2d
C0
C0
d0
由此可求出传感器的灵敏度为
4 电容式传感器 .ppt
• 变面积式电容传感器灵敏度S为常数。
2021/4/1
4.1 工作原理和结构
三、 变介质型电容传感器
图4.1.5是一种常用的结 构形式。 图中两平行电
极固定不动，极距为d0， 相对介电常数为εr2的电
介质以不同深度插入电容 器中，从而改变两种介质 的极板覆盖面积。
L0 L
r2
r1
d0
图4.1.5 变介质型电容式传感器
2021/4/1
4.1 工作原理和结构
二、 变面积型电容传感器
b
a d
x S
图4.1.3是变面积型电容传感 器原理结构示意图。通过动极 板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而得到电容量的 变化。
x
C0
0rab
d
图4.1.3 变面积型电容传感器原理图
2021/4/1
2021/4/1
4.1 工作原理和结构
• 云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时 极板间距为d0，其非线性误差为Δd/d0；插入厚度为 dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为 Δd/(d1+dg/εg)，由于εg=7>1故 (d1+dg/εg)<(d1+dg)=d0，则对同样的Δd，其非线性误 差将增加，线性度将变坏。
d1Cd
d0
C0 d0
2021/4/1
2021/4/1
4.1 工作原理和结构
• 由此可得： (1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的办法。 (2)非线随着相对位移Δd的增加而增加，为保证线 性度应限制相对位移。 (3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测 量小位移。 (4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性， 大都采用差动式电容结构。
2021/4/1
4.1 工作原理和结构
三、 变介质型电容传感器
图4.1.5是一种常用的结 构形式。 图中两平行电
极固定不动，极距为d0， 相对介电常数为εr2的电
介质以不同深度插入电容 器中，从而改变两种介质 的极板覆盖面积。
L0 L
r2
r1
d0
图4.1.5 变介质型电容式传感器
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4.1 工作原理和结构
二、 变面积型电容传感器
b
a d
x S
图4.1.3是变面积型电容传感 器原理结构示意图。通过动极 板移动引起两极板有效覆盖面 积S改变，从而得到电容量的 变化。
x
C0
0rab
d
图4.1.3 变面积型电容传感器原理图
2021/4/1
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4.1 工作原理和结构
• 云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时 极板间距为d0，其非线性误差为Δd/d0；插入厚度为 dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为 Δd/(d1+dg/εg)，由于εg=7>1故 (d1+dg/εg)<(d1+dg)=d0，则对同样的Δd，其非线性误 差将增加，线性度将变坏。
d1Cd
d0
C0 d0
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4.1 工作原理和结构
• 由此可得： (1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的办法。 (2)非线随着相对位移Δd的增加而增加，为保证线 性度应限制相对位移。 (3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测 量小位移。 (4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性， 大都采用差动式电容结构。
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2019/3/9
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差动的好处
灵敏度得到一倍的改善
2 C d C0 d0
1 C d C0 d0
线性度得到改善
d 100% d0
2
d 100% d0
4.1.3 变介质式电容传感器
介质变化型电容传感器的极距、有效作 用面积不变，被测量的变化使其极板之 间的介质情况发生变化。 主要用来测量两极板之间的介质的某些 参数的变化，如介质厚度、介质湿度、 液位等。
1.电桥电路
为了提高灵敏度，减小误差，常采用差动形式， 其电路如图所示。Cx1和Cx2表示差动式电容传感器 的两个电容。
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20
变压器式交流电桥
＋ U 2 － ＋ U 2 －
U
C1
＋
C2
Uo
－
Z U U Z － Z 2 2 1 U U ＝ －＝ 0 Z ＋ Z 2 Z ＋ Z 1 2 1 2 2
常用电路有:电桥电路、运算放大器测量 电路、脉冲调制电路、调频电路。 1.电桥电路
当电容传感器处于初始位 置时，电桥平衡，电桥输出电 压 ；当被测量的变
U0 0
化引起电容传感器的电容发生 变化时，电桥失去平衡，电桥 有电压输出，即 。
U0 0
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19
4.2电容式传感器的测量电路
A A0 (1 )
图6.6 角位移测量的变面积型电容式传感器原理图
电容改变量与角位移呈线性关系
面积变化型电容传感器原理
3. 圆筒型
2019/3/9
2 ( l x ) 2 l ( 1 x l ) C C 1 x l 0 R R l n l n r r
8
4.1.2 变极距式电容传感器
当改变电容器两极板间的距离时，电 容器的电容也会发生变化。
2019/3/9
9
简化：
C d d 0 C C ( 1 ) ＝＋ C 0 0 d d 0 0
C0 d C d0
C C
C1 C1 C 2C
2
近似直线关系
0O
d 1d d 2 d
1
2
d
击穿问题
g 0
dg
C
CgC0 Cg C0
A dg
0 g
d0
0
d0
一般极板间距在25～200um范围内，而最大 位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式 传感器主要用于微位移测量。
差动结构形式
提高测量精度 ，减少动极板与定极板之 间的相对极距可能变化而引起的测量误 差。
第4章 电容式传感器
2019/3/9
1
引言
电容式传感器是将被测非电量的变化转 化为电容变化量的一种传感器。 结构简单、分辨力高、可非接触测量， 并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条 件下工作 。 很有发展前途的传感器 。
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2
4.1电容式传感器工作原理
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 S r0S C d d 保持其中两个参数不变，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 过测量电路就可转换为电量输出。 电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面 积式和变介质式3种类型。
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二极管双T型交流电桥
D2 D1
B A
R2 R1
e
E
RL
当传感器没有输入时 ， C1＝C2
o
E
t1
t2
t
一个周期内流过负 载的平均电流为0
e
C1
C2
T
(a) R1 R2 R1 (b) R2
当传感器有输入时， C1！＝C2
E
C1
I1
RL
I2
C2
C1
I1
RL
I2
C2
D d
H h
1
2 h(1 1 ) CCC 0 D ln d
电容增量与被测液位的高度成线性关系
结论
传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与 液面h成线性关系，只要测出传感器电容 C的大小，就可得到液位h。
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。
4.2 电容式传感器的测量电路
3
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4.1 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、 介质等保持不变，被测量的变化使其有 效作用面积发生改变。 变面积式电容传感器的两个极板中，一 个是固定不动的，称为定极板，另一个 是可移动的，称为动极板。
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4
面积变化型电容传感器原理
1. 直线位移型
E
(c)
R ( R 2 R ) L U RE f ( CC 2 ) 0 L 1 2 ( RR L )
(d)
4.2电容式传感器的测量电路
3.运算放大器式测量电路
运算放大器的特点就是放大倍数A很大，输入阻抗也很大。理想的运算放 大器的放大倍数和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这些特点就可 作为电容式传感器的测量电路，来解决单个变极距式电容器传感器的非线 性问题。运算放大器式测量电路如图所示。图中，C为总的输入电容，Cx 是电容传感器。
U 0＝
C1－C2 U C1＋C2 2
4.2电容式传感器的测量电路
1.电桥电路--电桥测量电路框图
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4.2电容式传感器的测量电路
2.二极管双T形交流电桥
二极管双T形交流电桥电路原理如图4-12所示。图中，C1 、C2为差动电容式传感器的电容，RL为负载电阻，VD1、 VD2为理想二极管，R1、R2为固定电阻；e为高频电源， 它提供幅值为Ue的对称方波。
C C C ( a x ) b / d 0 0 r
2019/3/9 5
面积变化型电容传感器原理
2. 角位移型
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6
r2 A 2
r
动极板 定极板
图6.7 计算扇形面积的方法
CC C C 0 0 1 C A C ( 1 ) C C 0r 0 0 0 0 d 0
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14
介质变化型电容传感器结构
1.位感器结构
2.液位型
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变介质型电容式传感器
C 0＝ 2 0 H D ln d
2 ( H h )2 h 2 H 2( h 1 ) 2 h ( 1 ) 0 0 1 0 0 1 1 C C C ＝ ＝ C 1 2 D D D D 0 D l n l n l n l n l n d d d d d