电容式传感器及应用

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（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
也随之改变。
Cx
(a
- x)b d
ab
d
-
xb
d
C0
-
C
电容的相对变化量和灵敏度为
C x C0 a
K C b
x d
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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。
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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ห้องสมุดไป่ตู้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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推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
K dC 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。
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3.1.2 变极距式电容传感器
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，
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中间极板移动变面积式电容传感器原理
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（b）为圆柱线位移电容传感器
灵敏度K也为一常数。
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（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
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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。
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面积变化型电容传感器原理
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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
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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。
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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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。
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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。
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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。
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3.1.3 变介电常数式电容传感器
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。
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介质变化型电容传感器结构
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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。
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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。
电容值 Cx
动极板2未动时传感器初始电容 C0
（
C0
A）。
d0
当动极板2移动x值后，
Cx
A
d0 x
C0 1 x
x
C0 (1
d0
) x
d0
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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
多，变极距式电容传感器的灵敏度为
K dC C0 A
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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。
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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。
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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
dx d0 d02
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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，
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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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