电容传感器桥式电路介绍PPT课件

电容式传感器
目录
一、电容式传感器的工作原理及分类 二、电容式传感器的测量电路 三、电容式传感器在应用中的注意事项 四、电容式传感器的研究现状
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一、电容式传感器的工作原理及分类
由物理学可知，两块平行金属板构成的电容器，其电容量C
为
C 0 A
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当被测参数（如位移、压力等）使公式中的、A、 变化时，都将引起
虽然面积变化型电容传感器在理想情况下灵敏度为常 数，不存在非线性误差，但实际上因为电场边缘效应 的影响仍存在一定的非线性误差，且灵敏度较低。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
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1.3 介质变化型电容传感
器
对于图所示的液位测量用介质变化型
电容传感器，传感器的总电容C等于
上、下两部分电容C 和C 的并联，即
1
2
C
ห้องสมุดไป่ตู้C1
C2
20 l h
ln
D d
2 x0l
ln
D d
a
bh
灵敏度S C b 2 x 10 =常数
h
ln
D d
由上式可知，这种传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液位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的值。
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。 12
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二、电容式传感器的测量电路
电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化后， 由后续电路转换为电压、电流或频率信号。
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2.1 电桥型电路
将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为 电桥的电压输出，通常采用电阻、电容或电感、电容 组成的交流电桥。
图所示的电桥型电路，是一种电感、电容组成的桥 路，电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、 滤波后获得输出，再推动显示仪表。
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1.2.2 角位移型
当动板转动一角度时，与定板之间的覆盖面积就发生 变化，导致电容量随之改变。
覆盖面积 A r 2
2
其中，为覆盖面积对应的中心角，r为极板半径。
所以，电容量为 C r 2 2
灵敏度S C r2 常数 2
由上式可知，角位移型电容传感器的输出C与输入也为线性关系。
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1.1 极距变化型电容传感器
电容器的极板面积为A，初始极距为0，极板间介质的介电常数为
电容器的初始电容量为
C0
A 0
间隙 0减小 时，电容量增加C，即
C
C0 C
A 0
C0
1
1
0
C
C0 1
0
0
C C0
0
1+
0
+
0
2
+
0
3
+
+
0
n
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由上式可知，被测参数引起的极距变化 与电容的变化C之间的关系
谐振电路比较灵敏，但缺点是工 作点不易选好，变化范围也较窄， 传感器连接电缆的分布电容影响 也较大。
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2.4 调频电路
如图所示，传感器电容式振荡器谐振回路的一部分，当输入 量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化， 频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录 器或显示仪表指示。 这种电路具有抗干扰性强，灵敏度高等优点，可测0.01um的位 移变化量。但缺点是电缆分布电容的影响较大，使用中有一些 麻烦。
显然，输出电压与膜片位移速度成正比，因此这种传 感器可以测量电流（或液流）的振动速度，进而得到 压力。
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2.3 谐振电路
电容传感器的电容Cx作为谐振电路调谐电容的一部分。 此谐振回路通过电压耦合，从稳定的高频振荡器获得震荡电压。 当传感器电容量C 发生变化时，谐振回路的阻抗发生相应变化，
x
并被转换成电压或电流输出，经放大、检波，即可得到输出。
此时，电桥输出电压
当Cx改变时， 容的变化值
电桥有输出电压，从而课测得电
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（2）差动接法
变压器电桥测验电路一般采用差 动连接，如图b所示。C1和C2一 差动形式接入相邻两个桥臂，另 外两个桥臂为初次线圈。在交流 电路中，C1和C2的阻抗非别为：
则有： 故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为：
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2.2 直流极化电路
此电路又称为静压电容传感器电路， 多用于电容传声器或压力传感器。
图所示电路，弹性膜片在外力（气压， 液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。 电容器接于具有直流极化电压E 的电路中，
0
电容的变化由高阻值电阻R转换为电压变化。
电压输出为
ug
RE0
dC dt
RE0
0 A 2
d
dt
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2.5 运算放大器电路
由前述已知，极距变化型电容传感器的极距变化
与电容变化量成非线性关系，这一缺点使电容传
感器的应用受到一定限制。为此采用比例运算放
大器电路可以得到输出电压u 与位移量的线性关系。 g
ug
=-u0
C0 0 A
输出电压ug与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路用于位移测量传感器。
电容器电容量C的变化，从而达到从被测参数到电容的变换。
其测量原理可表示为：
被测量 电容式传感器、A或 变化 电容C变化 测量电路
电压、电流、频率
总得来说，电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量 变化的器件
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通常我们限定、A、 三个参数中的两个保持不变，只改变其
中的一个参数，使电容产生变化，所以电容式传感器可分为： 极距变化型，面积变化型，介质变化型三类。
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2.1 电桥型电路 如下图所示为电容传感器介入变压器电桥测量 电路，它可分为单笔接法和差动接法两种
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（1）单臂接法
如图（a）所示为单臂接法的变压器桥式 测量电路，高频电源经变压器街道电容桥 的一个对角线上，电容C1、C2、C3和 Cx构成电桥的四个臂，其中Cx为电容传 感器 当传感器为工作时，交流电桥处于平衡 状态， 有：
是非线性的，由非线性引起的误差为
2
3
n
=
0
+
0
+
+
0
当
0
1时，可略去高次项，即 C = ，此时可认为是线性的。 C0 0
也就是说，在 / 0 很小时，才有近似的线性输出。
灵敏度S
C
C0
0
A
2 0
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极距变化型电容传感器的特点：动态特性好，灵 敏度和精度较高（可达纳米级），适用于较小位 移的精密测量，一般用来测量微小的线位移或由 于力、压力、振动等引起的极距变化。
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1.2 面积变化型电容传感器
1.2.1直线位移型
当动板沿x方向移动时，相互覆盖面积发生了变化，电容量随 之改变，其输出特性为：
C bx
其中，b为极板宽度，x为位移， 为极板间距。
灵敏度S C b 常数 x
由上式可知，面积变化型线位移传感器的输出C与其输入 （极板覆盖面积的改变）呈线性关系。