电容式传感器 ppt课件

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。
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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CC 1C 22ln0D ld h2 ln x D d 0labh
灵 敏 度 SCb2x10=常 数
h
lnD 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 。
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
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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
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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：
bx C
其 中 ， b 为 极 板 宽 度 ， x 为 位 移 ， 为 极 板 间 距 。
灵 敏 度 S C xb常 数
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 。
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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
是 非 线 性 的 ， 由 非 线 性 引 起 的 误 差 为
2 3 n
=0
+0
+L+0
当 0 = 1 时 ， 可 略 去 高 次 项 ， 即 C C 0 = 0 ， 此 时 可 认 为 是 线 性 的 。
也 就 是 说 ， 在 / 0 很 小 时 ， 才 有 近 似 的 线 性 输 出 。
灵 敏 度 S C C 000A 2
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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。
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C 0
A 0
间 隙 0 减 小 时 ， 电 容 量 增 加 C ， 即
CC0C0A C011 0
C
C
0
0
1
0
C C 0 0 1 + 0+ 0 2+ 0 3+ L+ 0 n
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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
0Ad 2 dt
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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
r2 A
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 C2r2常 数
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 。
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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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：
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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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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1.1 极距变化型电容传感器