《自动检测技术及应用》第4章 电容式传感器及其应用教学幻灯片

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２、差动接法的桥式测量电路（图b） 在图b)的电路中，接有差动电容传感器，其
空载输出电压为：
U 0 C C x x 1 1 C C x x 2 2 U C C 0 0 C C C C 0 0 ＋＋ C C U C C 0 U
由于电桥输出的电压与电源电压成比例，因 此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳 频等措施。
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根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度。
下图为电容液位计，同心 圆柱状极板，插入液体深 度h，两极板间构成电容 式传感器。
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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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。
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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：
C1／C2＝Cx／C3 此时， U0＝０ 当Cx改变时，U0≠0，有输出电压。
故该类传感器只适用于微米数量级的位移测量。
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3、变介电常数（ε）式电容传感器
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。
几种介质的相对介电常数
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根据上表，分析不同介质对变介电常数电容 器的影响。
请问：在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的 纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测 量什么非电量？
线性关系
C0——初始电容值
此传感器的灵敏度K可用下式求得
K dCx b
dx d
灵敏度为常数
可见，增加极板宽度b，减小两板间距d都可以提高 传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。
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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。
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请思考： 电容式传感器的调频电路与电涡流 传感器的调频电路有何区别？ 式中哪些量是变量？
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三、运算放大器式电路
将电容器接入开环放大倍数为Ａ的运算放大电路
CA0rA
dd
请思考：上式中，哪几个参量是变量？可
以做成哪几种类型的电容传感器？
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CA0rA
dd
改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可 使平板电容的电容量C 改变。
固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的 电容传感器。
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1、变面积（A）式电容传感器
图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动， 称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。
如图a)，中间的极板为动极板，上下两块 为定极板。
当动极板向上移动x距离后，一边的间隙 变为d -x，而另一边则为d +x。电容C1和 C2成差动变化，即其中一个电容量增加， 而另一个电容量则相应减小。将C1、C2接
成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。
请思考：我们已经学习了哪些差动形式？
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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 种介电常数的差值。
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4、差动电容传感器
在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减 小非线性，常常把传感器做成差动形式。
变极距式差 动电容器
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旋转形差 动电容器
圆柱形差 动电容器
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二、调频电路
调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路
的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，
就使振荡器的频率f 产生相应的变化。
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调频振荡器的频率为：
f 1
2 LC
Ｌ—振荡回路的电感 Ｃ—振荡回路总电容 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。 调频电路的灵敏度高，抗干扰能力强。
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休息一下
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§4.2 电容式传感器的 测量转换电路
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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。
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图b是一个角位移式的结构。极板1的轴由被测物体带动而
旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而
电容量也随之减小。
图c是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在
外圆筒内作上、下直线运动。
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对于图a平板形位移电容传感器，当动极板移动x后：
Cx
b(a
d
x)
C
0
1
x a
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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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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结构示意图
极板1为定极板 极板2为动极板
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由电容的表达式： CA0rA
dd
电容量Cx与d不是
线性关系，其灵敏
度也不是常数。
从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0
小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极
距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？
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结论：
当d0较小时，该种类型的传感器灵敏度较高，微
小的位移即可产生较大的电容变化量。
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。
第4章 电容式传感器
本章学习电容式传感器的 工作原理、测量转换电路及其 应用。
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电容式传感器
• 定义：将被测非电量的变化转换为电容量 变化的传感器。
• 应用：位移、加速度、液位、振动及湿 度。
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§4.1 电容式传感器的工作原理 及结构形式
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两平行板组成的平行板电容器，电容传感 器的基本理想公式为：