43电容式传感器

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电容式接近开关在液位测量控制中的使用
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电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示
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4.差动式电容传感器
实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构。差动式电容传 感器的中间可移动的电容器极板与两边固定的电容器极板形成两个电容 器和，当中间极板向一方面移动时，其中一个电容器的电容因极间距增 大而减小，而另一个电容因极间距减小而增大，由此可得电容总变化量 为
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4.3.3 测量电路 a)电桥电路
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举例：电容式自平衡液位测量仪:图4-64是电容式自动平衡液位测 量仪原理框图，试求指针偏转角θ与液位h的表达式。
解：由图可见，当h=0 时，CX=CX0=C0，且电 位器RP（阻值RP）的电 刷在O点，即R=0，此 时电桥应平衡，桥路输 出电压Uac=0，则
C
C1
C2
2 0A 2
2 1
由此可得灵敏度为
K C 20A
2
差动式电容传感器不仅可提高灵敏度，也相应地改善了测量线性度。
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产品
介质压力作用 在陶瓷膜片的 表面，使膜片 产生 位移。电 子线路检测这 一位移量后， 即把这一位移 量转换成对应 于这一压力的 标准工业测量 信号。
出电压为
0
-u1
u0
T1 T1 T2
u1
-
T2 T1 T2
u1
T1 - T2 T1 T2
u1
uM uC
当电阻R1=R2=R时，则有
u0
C1 C1
C2 C2
u1
T1 uN uC
可见，输出电压与电容变化成线性 关系。
T2
C1=C2
t
0
t
uB u1
t
0
t
uAB u1
t
0
t
-u1
uM uC
t uN uC
压力变送器
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1151系列 电容式变送器 外形图
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PL （定极板）
CL CH
PH （动极板）
当被测压力或压力差 作用于膜片并产生位 移时， 所形成的两 个电容器的电容量， 一个增大， 一个减 小。 该电容值的变 化经测量电路转换成 与压力或压力差相对 应的电流或电压的变 化。
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4.3.4 特点
1.优点
高灵敏、高精度、高分辨力(0.001m)，结构简单，适应 性强；温度稳定性好；动态响应好；
2.不足
(1)输出阻抗高（108），负载能力差;
(2)寄生电容大.
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4.3.5 电容式传感器的应用
案例1.振动测量
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案例2.旋转轴的偏心量的测量
当双稳态触发器的Q端输出高电平时，则通过R1对C1充电。直到M点的电位 等于参考电压Ur时，比较器N1产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，Q端（A） 为低电平，Q端（B）为高电平。这时二极管V1导通，C1放电至零，而同时Q 端通过R2为C2充电。当N点电位等于参考电压Ur时，比较器N2产生一个脉冲， 使双稳态触发器又翻转一次。这时Q端高平，C1处于充电状态，同时二极管 V2导通，电容C2放电至零。以上过程周而复始，在双稳态触发器的两个输出 端产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。
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C）差动脉冲调宽电路
C1=C2: A点脉宽=B点脉宽,uAB=0 C1>C2:A点脉宽>B点脉宽, uAB>0
输出电压：
U AB
C1 C1
C2 C2
Ur
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ur
-+N1
+
-N2
R 双稳 QA
V1 R1
态触
S
－Q B
发器
R2
V2
M C1
P C2
N
+N3
u0
-
图3.2.3 差动脉冲宽度调制电路
Cx0 R4 C0 R3
电桥阻抗平衡
图4-64 电容式自动平衡液位测量仪原理框图
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当液位为h时，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1为电容传感器的灵敏度。 此时Uac≠0，经放大后，使单相电动机转动，经减速后带动指针转动， 同时带动电位器的电刷移动，直到Uac=0，系统重新平衡为止，此时
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各种电容式传感器
电容式接近开关
电容式变送器
电容式指纹传感器
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差压传感器
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4.3.1 原理
+ + +
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变换原理:将被测量的变化 转化为电容量变化
两平行极板组成的电容器,
源自文库
A
它的电容量为:
C
0A
δ、A或ε发生变化时，都会
引起电容的变化。再通过配
套的测量电路，将电容的变
动圈传声器结构简单、 稳定可靠、使用方便、 固有噪声小，被广泛用 于语言广播和扩声系统 中。但缺点是灵敏度较 低、频率范围窄。近几 年已有专用动圈传声器， 其特性和技术指标都较 好。
＃一般使用的麦克风基本上都是动圈式的。
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无线传声器
补充
无线传声器实际上是一种小型的扩声系统。它具有不需要电缆的机动 灵活性，又兼有有线扩声设备高质量的电声性能，被广泛运用于电视 演播室、电影同期声、舞台艺术扩声、现场直播、现场采访、电化教 学、展览讲解及其他专业应用场合。 它由一台微型发射机组成。发射机又由微型驻极体电容式传声器、调 频电路和电源三部分组成，无线传声器采用了调频方式调制信号，调 制后的信号经传声器的短天线发射出去，发射频率的范围、按国家规 定在100MHz ~120MHz之间，每隔2MHz为一个频道，避免互相干扰。 无线传声器与接收机应一一对应，配套使用，不得张冠李戴，出现差 错。接收机是专用调频接收机，但是一般的调频收音机只要使其调谐 频率调整在无线传声器发射的频率上，同样能收听到无线传声器发出 的声音。
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案例3.电容式转速传感器
当齿轮转动时，电容量发生周 期性变化，通过测量电路转换 为脉冲信号，则频率计显示的 频率代表转速大小。
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案例4.电容式测厚仪
测量金属带材在轧制过程中厚度 . C1、C2工作极板与带材之间形成两个 电容， 其总电容为C= C1+C2 。当金 属带材在轧制中厚度发生变化时，将 引起电容量的变化。通过检测电路可 以反映这个变化，并转换和显示出带 材的厚度。
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从
可看出，灵敏度K与极距平方成反
比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距
来提高灵敏度。由于电容量C与极距δ呈非线性关系，
故这将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规
定测量范围 ，一般取极距变化范围为 0 0.1 。 此时，传感器的灵敏度近似为常数。实际应用中，为
了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外
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3.变介电常数型（ 型）
C
0A
大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板 间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量 温度、湿度、容量等。
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产品
电容式液位传感器（液位计/料位计）
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产品 电容式接近开关
测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接 近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的 电路状态也随之发生变化。接近开关的检测物体，并不限于金属导体， 也可以是绝缘的液体或粉状物体。
电容传声器的频率范围宽、灵敏度高、
失真小、音质好，但结构复杂、成本高， 多用于高质量的广播、录音、扩音中。
产品：电容传声器
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传声器输出电压增量和被测声压成正比。
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驻极体电容传声器
补充
它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后， 表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电 容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。被广泛地应用在盒 式录音机中作为机内传声器。
Cx0 C R4 R
C0
R3
联立求解上面两式得：
R
R3 C0
C
R3 C0
k1h
由于指针转角θ与电位器电刷同轴相连，它们间的关系为：
θ=k2R
因此
R3 C0
k1k 2 h
其中， k2为比例系数
可见，指针偏转转角θ与液位高度h成比例。
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b) 谐振电路（调频电路）
f0
2π
1 LC
这种测量电路是把电容式传感器与一个电感元件配合成一个振荡器谐振电路。 当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变化。再通 过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后即可显示，这种 方法称为调频法。
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uA
uA
u1
u1
当C1=C2时，两个电容充电时间常 0
数相等，两个输出脉冲宽度相等输 uB 出电压的平均值为零。当差动电容 u1
传感器处于工作状态，即C1≠C2时， 0
两个电容的充电时间常数发生变化， T1正比于C1，而T2正比于C2，这
uAB u1
时输出电压的平均值不等于零。输
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电气测试技术
电子信息与自动化学院 贺晓蓉
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4.3 电容式传感器
电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它具 有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大 及价格低廉等优点。因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液 位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用 带来一定的局限。随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛 应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的 广泛应用。
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陶瓷电容压力传感器
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被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件) 的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和δ元 件内的填充液传到预张紧的 测量膜片两侧。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位 移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成电 流信号。
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各种电容式差压变送器外形
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各种电容式压力变送器外形（续）
（参考丹东长隆 自控有限公司 资料）
法兰
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各种电容式压力变送器外形（续）
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利用电容差压变送器测量液体的液位
施加在高压侧腔体内的压 力与液位成正比：
p = g h
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差压变送器
化转换为电信号输出。
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4.3.2 类型
1.变间隙型
（变极距型）
C
0A
灵敏度：
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间隙变化电容传感器用于测量 位移及一切能转化为位移测量 的物理参数，其特点是非接触 式测量，因而对被测量量影响 小，灵敏度高；测量范围可达 1mm，非线性误差约为满量程 的1％～3％；测量的频率范围 为0Hz～105Hz。
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将电容传感器接入高频振荡器LC谐振回路，作为回路的一部分。当被测量
变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率 f 1/(2 LC ) 随之改变，
即振荡器频率受传感器电容限制，因此称为调频电路。测定频率或经鉴频 器将频率变化转换为电压幅值的变化，就可测得被测量的变化。
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动圈传声器
补充
主要由振动膜片、音圈、永久磁铁和升压变压器等组成。它的工作原理是 当人对着话筒讲话时，膜片就随着声音前后颤动，从而带动音圈在磁场中 作切割磁力线的运动。根据电磁感应原理，在线圈两端就会产生感应音频 电动势，从而完成了声电转换。为了提高传声器的输出感应电动势和阻抗， 还需装置一只升压变压器。
工作流程方框图
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电容接近开关，主要用于检测非金属物，被广
泛应用到颗粒料位仪、人体接近开关等用途， 它的直径为18毫米，固定时只要在设备外壳上 打一个18毫米的园孔就能轻松固定，长度约 70毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时 红色LED点亮，平时处于熄灭状态，非常直观， 引线长度为100毫米。
界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精
度的影响，常常采用差动型电容式传感器。
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传声器是一种将声信号转换为电信号的换 能器件。俗称话筒、麦克风。传声器的好 坏将直接影响声音的质量。
电容传声器主要由振动膜片、刚性极板、 电源和负载电阻等组成。它的工作原理是 当膜片受到声波的压力，并随着压力的大 小和频率的不同而振动时，膜片极板之间 的电容量就发生变化。与此同时，极板上 的电荷随之变化，从而使电路中的电流也 相应变化，负载电阻上也就有相应的电压 输出，从而完成了声电转换。
T1
t
t
T2
t
C1≠C2
图3.2.4 电压波形图
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d) 运算放大器电路
当采用比例运算放大器电 路时，可以得到输出电压 与位移量的线性关系。
输入阻抗采用固定电容C0，反馈阻抗采用电容传感器 ，根据 运算放大器的运算关系，当激励电压为 时，输出电压为：
所以：
由此式可知，输出电压 与电容传感器间隙 成线性关系。这种电路 常用于位移测量传感器。
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2.变面积型（A型）
角位移型
C
0A
+ + +
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板状（平面）线位移型
C
0A
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柱面（筒状）线位移型.
C
0A
面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极 距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测 量。
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