【精品课件】电容式传感器及应用

特点
运算式电路的原理较为简单，灵敏度和 精度最高。但一般需用“驱动电缆”技 术来消除电缆电容的影响，电路较为复 杂且调整困难。
4．脉冲宽度调制电路
脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感 器的电容充放电使电路输出脉冲的占空 比随电容式传感器的电容量变化而变化， 然后通过低通滤波器得到对应于被测量 变化的直流信号。
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。
介质变化型电容传感器结构
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。
则可以用软件来测出占空比q，从而计算出ΔC
的数值。这种直接采用数字处理的方法不受电 源电压波动的影响
（c）为角位移形式的电容传感器。
当动极板有一角位移时，两极板的相对
面积A也发生改变，导致两极板间的电容
量发生变化
当 0 时
C0
A0
d
当 0时
C
A0(1)
d
C0(1)
推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
KdC A d d
变面积式电容传感器的输出是线性的，
灵敏度K是一常数。
3.1.2 变极距式电容传感器
第3章 电容式传感器及应用
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 。
目录
3.1电容式传感器工作原理及类型 3.2电容式传感器的转换电路 3.3电容式传感器的应用
3.1电容式传感器工作原理及类型
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
C A
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。
结论
极距变化型电容传感器的优点是可实现 动态非接触测量，动态响应特性好，灵 敏度和精度极高（可达nm级），适应于 较小位移（1nm～1 m）的精度测量。 但传感器存在原理上的非线性误差，线 路杂散电容（如电缆电容、分布电容等） 的影响显著，为改善这些问题而需配合 使用的电子电路比较复杂
3.1.3 变介电常数式电容传感器
特点
能获得线性输出；双稳态输出信号一般为 100kHz～1MHz的矩形波，所以直流输出只 需经滤波器简单引出，不需要解调器，即能获 得直流输出。电路采用稳定度较高的直流电源， 这比其他测量线路中要求高稳定度的稳频、稳 幅的交流电源易于做到。如果将双稳态触发器 Q端的电压信号送到计算机的定时、计数引脚，
多，变极距式电容传感器的灵敏度为
K dC C0 A
dx d0 d02
极距变化型电容传感器的灵敏度与极距 的平方成正比，极距越小灵敏度越高。
但d 0 过小，容易引起电容器击穿或短路。
为此，极板间可采用高介电常数的材料 （云母、塑料膜等）作介质。
原理上的非线性 ，要修正。
差动工作方式，电容传感器的灵敏度提 高了一倍，非线性得到了很大的改善，
分析
变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电 容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的
4个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥 供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、 相敏检波、滤波后，获得与被测量变化 相对应的输出，最后为仪表显示记录。
2．调频电路
把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络 中，被测量的变化引起传感器电容的变 化，继而导致振荡器谐振频率的变化。 频率的变化经过鉴频器转换成电压的变 化，经过放大器放大后输出。
2．调频电路的特点
测量电路的灵敏度很高，可测0.01m的 位移变化量，抗干扰能力强（加入混频 器后更强），缺点是电缆电容、温度变
化的影响很大，输出电压U0与被测量之
间的非线性一般要靠电路加以校正，因 此电路比较复杂。
3．运算放大式电路
极距变化型电容传感器的电容与极距之 间的关系为反比关系，传感器存在原理 上的非线性。利用运算放大器的反相比 例运算可以使转换电路的输出电压与极 距之间关系变为线性关系，从而使整个 测试装置的非线性误差得到很大的减小。
也随之改变。
C x(a- d x)bd a b- d xbC 0- C
电容的相对变化量和灵敏度为
C x
C0
a
K C b
x d
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。
中间极板移动变面积式电容传感器原理
（b）为圆柱线位移电容传感器
灵敏度K也为一常数。
3.2电容式传感器的转换电路
电容传感器将被测量的变化转换成电容 的变化后，还需由后接的转换电路将电 容的变化进一步转换成电压、电流或频 率的变化。
转换电路的组成部分
1．交流电桥 2．调频电路 3．运算放大式电路 4．脉冲宽度调制电路 5．二极管双T型交流电桥
1．交流电桥
将电容传感器的两个电容作为交流电桥 的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转 换成电桥输出电压的变化。电桥通常采 用由电阻-电容、电感-电容组成的交流 电桥，图3-6为电感-电容电桥。
3.1.1 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。
面积变化型电容传感器原理
（a）为平板形位移电容传感器。
设两个相同极板的长为b，宽为a，极板 间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx
两极板的有效作用面积及极板间的介质
保持不变，则电容量C随极距d按非线性
关系变化，
电容值 C x
动极板Fra Baidu bibliotek未动时传感器初始电容 C 0
（
C0
A ）。
d0
当动极板2移动x值后，
Cx
A C0
d0x 1 x
C0(1d0xx)
d0
结论分析
当 x d0 时
Cx
C0 (1
x d0
)
电容与x 近似线性关系，但量程缩小很