检测与转换技术第6章3

在差动电容C1、C2 值不相等时，则C1、C2充电时间常数 就发生改变，输出电压U0AB的平均电压值就不再是零 。
基本RS触发器
•S
R
•0
0
•0
1
•1
0
•1
1
Qn+1 不定
1 0 不变
U AP
T1 T1 T2
UH
U BP
T2 T1 T2
UH
T1
R1C1
ln
UH UH U
f
T2
R2C2
ln
UH UH U
3.电容式传感器的谐振电路
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。
1 f
2 L0C
5-2
电容式传感器的谐振电路与电涡流传感 器有何区别？式中哪些量是变量？
电容传 感器谐振电路 a) 原理图 b) 特性曲线
S 0
C0
C0
0
• 根据罗朗级数展开式
电容微位移计
C (1 ( )2 ( )3 )
C0 0
0
0
0
( )2 ( )3
0
0
0
忽略高次项
C
C0
0
灵敏度：
K
C
C0
0
S
2 0
线性度：
L
( / 0 )2 / 0
0
100%
•
由上面两式知，δ0减少可使灵敏度K增大，但非线性误差
汽车气囊的保护作用
使用加速度传感器可以在汽车发生碰
撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。
汽车气囊对驾驶员的保护作用
利用加速度传感器实现 延时 起爆的钻地炸弹
传感器安装位置
出去活动一下
第七节 光电阻传感器
光电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。 若用这种传感器测量其它非电量时，只要将被测非电量的变 化转换成光信号的变化即可。此种测量方法具有结构简单、 非接触、高可靠性、高精度和反映快等优点。
• 优点； • 可获得较大的相对变化量，比如应变电阻相对变化量小于
1%，而电容传感器相对变化量可达到100%或更大些。 • 能在恶劣环境条件下工作（高温、低温、强辐射） • 发热的影响小（激励源功率小，介质为真空、空气、其它
气体） • 动态响应快 • 缺点； • 1、输出阻抗高，负载能力差 • 2、寄生电容影响大 • 3、输出特性非线性
2U
U
Z2 Z1 U C1 C2 U
Z1 Z2
C1 C2
Z1
1
j(C1 C1)
1
Z2 j(C2 C2 )
• （1）初态时：两传感器电容C1=C2=C0，
• △ C1=△ C2=△ C=0，
U 0
C U C0
U 0 0
（1）初态时：两传感器电容C1=C2=C，此时
电桥空载输出，即电桥处于平衡状态。
• 例如电容液面计，当被测液体的液面在两个同心 圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不 同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为 液体）的高度变化，而导致总的电容量的变化。
电容液位计
•总电容C等于液体介质间电容量与气体介质间电容量之 和。
C1
2h2 2
ln( R / r)
2 (h
ln( R
电容传感器的基本理想公式为
C A 0r A
dd
+
S
+
+
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？
一、 电容式传感器的工作原理
电容传感器的基本理想公式为
C A 0r A
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。
表5-1 几种介质的相对介电常数
3、变极距式电容传感器
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。
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。
这里用δ0=d0推导一下有关公式。
C0
S 0
变极距（d）型
C
液位限位传感器的设定 设定按钮
智能化液位传感器 的设定方法十分简单：
用手指压住设定按钮， 当液位达到设定值时， 放开按钮，智能仪器就 记住该设定。正常使用 时，当水位高于该点后， 即可发出报警信号和控 制信号。
利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。
在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。
h1 ) 2
/ r)
C2
2h11
ln( R / r)
C C1 C2
2 (h h1)2 2 h11
ln(R / r) ln(R / r) C与液位高度h1成正比
2 h2
ln(R / r)
2 h1(1
ln(R / r)
2)
.
A
Kh1
2、变介电常数式
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。
3．提高灵敏度的一些措施 ① 提高电源频率﹙从数十KH—数MH﹚以降低容抗及对绝 缘电阻要求； ② 用双层屏蔽线，将电路(例如集成电路)同电容传感器装在 一个金属壳体中，可减小寄生电容和外界干扰﹙静电场、交 变电磁场﹚的影响； ③ 减小极板厚度可削弱边缘效应。
三、电容传感器的测量电路
电容传感器在实际应用中可接在不同的测量电路中，
四、 电容式传感器的应用
电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、 相对面积A 和极间介电常数 。固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要
想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电 常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数 来达到非电量电测的目的。
电容传感器是悬挂在料仓里的金属探头，利用它对大地的分布电容进行检测。
大小为U0=（C1-C2/C1+C2）U1，
• 代入平板电容器公式，则对变间隙传感器，为
U0=（d2-d1/d1+d2）U1,当C1=C2=C0时， d1=d2=d, • 则U0=0，当C1＞C2时，则d1=d0-△d，d2= d0+△d,U0=(△d/d)U1，△d为电容动片的微小位移。
• 同理，对变面积传感器有
Cx
b(a
x)
C0 (1
x) a
灵敏度 K dC C0 b dx a
2.变介电常数(ε)型
• 因为各种介质的介电常数不同,如空气的相对介 电常数略大于1，纯净水介电常数为80，变压器 油和干的纸介电常数约为2～4.在两电极间加以空 气以外的其它介质。当它们之间的介电常数发生 变化时,电容量也随之改变。这种传感器常用来检 测容器中的液面高度,片状材料的厚度等。
差动变极距（δ）型 电容传感器
差动变面积（S）型 电容传感器
二、电容传感器的一些特殊问题 1．电容器极板间的介质应选择介电常数较稳定的 材料
• 为了提高灵敏度，可以缩小极距d使电容量加 大，但d太小容易引起电容器击穿，一般可以 在极板间放置云母片，因为云母的介电常数是 空气的7倍，云母的击穿电压不少于103KV／ mm ， 而 空 气 才 3KV/mm ， 厚 度 仅 为 0.01mm的云母片击穿电压也不小于10KV。
• U0=(△S/S)U1
根据以上分析，脉冲宽度电路有如下特点：
（1）对敏感元件的线性要求不高。不论是变气隙式 或变面积式，其输出都与输入变化量成线性关系。 （2）不需要特殊电路，只要经过低通滤波器就可以得到 较大的直流输出。
（3）不需要高频发生装置。 （4）调宽频率的变化对输出无影响。 （5）由于低通滤波器的作用，对输出矩形波纯度要求不高。
高频电源经变压器T供给L、C、Cx构成的谐振 回路，输出电压U经放大由仪表测出。改变C，使 振荡回路调节在和振荡器频率ω相接近的频率，并 让它的电压U0为谐振电压的一半N（C0点）这样保 证仪表指示与输入量引起的电容变化量△Cx的线性 关系及输入与输出的单值关系。
这样的电路有很高的灵敏度。电容传感器 稍有输入时，就会使输出电压发生急剧变化。
分述如下： 1．桥式电路
（1）初态时：电桥调整到
平衡状态，此时C1C3=C2CX ，Uo=0。
（2）工作时：CX发生变 化，电桥不平衡；即CX 变化一个ΔCX，则电桥
输出ΔUo，电容变化量 越大，电桥输出电压越 大，输出电压能线性反 映电容量的变化。
2. 差动桥
பைடு நூலகம்
U 0
U C 2
U
Z2 Z1 Z2
电参数传感器
第三部分
第六节 电容传感器
• 大家都用过收音机，当你搜寻电台时有没有想过， 收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？如果 打开收音机后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的 是一个旋转式可变电容器。当你旋转调谐旋钮时， 可变电容器动片就随之转动，改变了与定片之间 的覆盖面积，从而可以从一个电台转换到另一个 电台。电容器在电子仪表中作为元器件来使用； 在非电量电测中作为传感器来使用。
• （2）工作时 ：
C1 C2 C 0 U0 0
C1 C0 C C2 C0 C
U 0
C C0
U
工作时传感器两电容值发生等值反向变化，电
桥失去平衡；且电容变化量ΔC越大，不平衡电
桥输出电压Uo也越大，两者亦呈线性关系。
三、差动脉冲调宽电路
C1、 C2为差动电容传感器的两个电容敏感元件。
1kHz以上，允许加速度范围可达10g 以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，
就可以测量三维方向的振动或加速度。
加速度传感器在汽车中的应用
装有传感 器的假人
气囊
加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。 当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断 发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅 速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。
底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动，中间层多晶硅是一个可以 上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。
当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试 单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC 转换成直流输出电
压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅 的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达
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。
1.变面积（S）型
• ⑴.角位移式
当转角 0 时：
C0
S
R2 2
当转角 0 时：
C
R2 ( ) 2
C0
(1
)
灵敏度 K C0
⑵.直线位移式
初始时
C0
S
ab
当其中一个极板移动距离为x时，
极板起始 遮盖长度
也增大。因此常采用差动式结构，以提高灵敏度，减少非线性误差。
C
C1
C2
2C0 ( 0
(
0
)3
(
0
)5
)
C 2
C0
0
L
( / 0 )3 / 0
0
2
100%
K C 2 C0
0
近年来，随着计算机技术的发展，电容传感器大多都配置了单 片机，所以其非线性误差可用微机来计算修正。
晶体管电容料位指示仪原理图
信号转换是通过阻抗平衡电桥实现的。
• 信号转换是通过阻抗平衡电桥实现的，当
C2C4=CxC3电桥平衡。（由调整C4得）当料面 ↑Cx↑，电桥失去平衡，输出交流信号经VT2放大， 由VD检波成直流信号。当其幅值达到一定值时， 使触发器翻转， VT4饱和，继电器吸合，其触点 控制相应电路和指示灯，指示料面已达某一定值。
2．电容传感器中一些量的变化范围
• 一般变极距式电容传感器起始电容量设 置在十几皮法（PF）至几十皮法(PF)、极 距d设置在100～1000μm的范围内较为妥 当。最大位移应该小于两极板间距的1／10。 变极板工作面积的传感器，可测厘米级位 移。输出阻抗在106-108欧姆之间，频率一 般在50KHZ以上。
f
UO
U AP U BP
UH
T1 T2 T1 T2
UH
R1C1 R2C2 R1C1 R2C2
设 R R1 R2
UO
C1 C1
C2 C2
UH
若 C1 C0 C C2 C0 C
C
UO
C0
U H
• 通过推导，在C1＞C2时，由于C充放电时间不同，
会输出一个直流电压，约为输出脉冲电压的平均值，
分类
+
a) 极距变化型;
+
+
b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.
+
+
+
+
+
+
c) 介质变化型
一、变面积式电容传感器
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。图b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。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体
4．差动电容传感器
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。中间一片为动片，两边的 两片为定片，当动片移动距离X后，一边的间隙变 为d-x,另一边的则变成d+x。圆筒形的也是一个道 理，只是中间为动片，上下两个圆筒是定片，当动 片上移，必然上极片遮盖面积增加，而下极片遮盖 面积减小，两者变化的数值相等，反之亦然。