电容式传感器1完整ppt课件

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4.1 电容式传感器工作原理
4.1.1 变面积式电容传感器
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 。
1．直线位移式
图4.2 变面积型电容传感器原理图
(a x) ba b x b
电C 容 的相对d 变化量 和灵d敏 度d 为 C 0 C C b
常数x。因此，可将此传感器用作介 电常数x测量仪。
图4.8 平面式测位移传感器 图4.9 测厚仪
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2．圆柱式 电介质电容器大多采用圆柱式。其基
本结构如图4.10所示，内外筒为两个 同心圆筒，分别作为电容的两个极。
C 2π h ln R r
如图4.11所示为一种电容式液面计的
原理图。在介电常数为x的被测液体中
，放入该圆柱式电容器，液体上面气体
的介电常数为，液体浸没电极的高度
就是被测量x。
CC 1C 2abx
液面计的输出电容C与液面高度x成线 性关系。
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图4.10 圆柱式电容器结构图
图4.11 电容式液面计 8
4.2 测量电路
4.2.1 调幅型电路
1．交流电桥电路 （1）单臂桥式电路
图4.12 单臂接法交流电桥电路
1．温度影响
应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板，如铁镍
合金；此外，应采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。
极板支承架应选择绝缘性能良好的材料，如陶瓷、石英等高绝缘
电阻、低吸湿性材料。
2．电场的边缘效应
增加极板面积和减小极间距离可减 小边缘效应的影响；当检测精度要求很 高时，可考虑加装等位环，如图4.19所 示，即在极板周边外围的同一平面上加 装一个同心圆环，致使极板周边极间电 场分布均匀，以消除边缘效应的影响。
C
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x
所为示提的高结测构量形精式度，，以也减常少用动K如极图板x4与.3 d 定极板之间的相对极距可能变化而
C 0 a 引起的测量误差。
图4.3 中间极板移动变面积式电 容传感器原理图
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4.1 电容式传感器工作原理
2．角位移式 当被测的变化量使动极板有一角位移q 时，两极板间互相
覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量C。
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4.1.3 变介电常数式电容传 感器
1．平面式
CCC0rd10ax
电 容 变 化 量 C 与 位 移 x 呈 线 性 关 系 。
CC C 11 C C 22xd(xS x)x
若被测介质的介电常数x已知，测
出输出电容C的值，可求出待测材料 的厚度x。若厚度x已知，测出输出电 容C的值，也可求出待测材料的介电
电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、液 位、厚度。
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4.1 电容式传感器工作原理
C=ε.S/d=ε0. εr.S/d ε=ε0. εr
C为电容 ε0=8.85×10-12F/m 对介电常数
εr为相
用S为极板相对覆盖面积m2 d为极板间距
电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介电
常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移式 、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常数 式、圆筒介电常数式。
Sπ
C π
S(1
)
d
dπ
图4.4 角位移式电容传感器原理图
在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵 敏度。角位移测量用的差动式结构如图4.5所示。 图4.5 差动角位移式电
容传感器原理图
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4.1.2 变间隙式电容传感 器
基本结构电容的相对变化量和灵 敏度分别为
C d C0 d0
K C d
C0 d0
极距成正比，使基本变间隙式电容传感器的输出特性具有线性特性
。
uo
ui
C0
S
gd
图4.14 运算放大器式测量电路 .
图4.15 调零电路 10
4.2.2 差动脉冲宽度调制电路
电路的工作原理：利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲的 占空比随电容传感器的电容量变化而变化，再通过低频滤波器得 到对应于被测量变化的直流信号。
3．寄生电容的影响 （1）减小引线长度。
图4.19 极板周边加装同心圆环示意图
（2）屏蔽。
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4.4 电容式传感器的应用
1．电容式位移传感器 采用了差动式结构。当测量杆随被测位移运动而带动活动电极位
移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其 电容量也相应产生变化。
图4.20 变面积式位移传感器结构图
第4章 电容式传感器
4.1 电容式传感器工作原理及分类 4.2 测量电路 4.3电容式传感器的应用 1F=106μF=109 nF=1012 pF
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电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量 变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率高 、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、辐 射和强烈振动等恶劣条件下工作。
该测量电路把电容式传感器与一个电感元件配合，构成一个振荡 器谐振电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生 相应的变化。再经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。
图4.18 调频-鉴频电路原理图
调频振荡器的振荡频率
f 1 2π LC
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4.3 实际中存在的问题及其解决办法
图4.13 变压器交流电桥电路
（2）差动接法变压器交流电桥电路
U & o( (C C 0 0 C C) ) ( (C C 0 0 C C) )U & s C C 0U & s
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2．运算放大器式测量电路
理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为
uo
ui
C0 Cx
采用基本运算放大器的最大特点是电路输出电压与电容传感器的
图4.16 差动脉冲宽度调制电路
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（a）C1 = C2
（b）C1 > C2 图4.17 电路各点的充放电波形
当电阻R1 = R2 = R 时，则有
Uo
C1 C1
C2 C2
UH
由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。
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4.2.3 调频电路
1．载波频率改变的调幅调频式
S
d02
图4.6 基本的变间隙式电容传感器
差动式电容的相对变化量和灵敏度
分别为 C 2 d
C0
d0
KC2C0 2S
d d0 d02
与基本结构间隙式传感器相比，
差动式传感器的非线性误差减少了一个 图4.7 差动结构的变间隙电容传感器 数量级，而且提高了测量灵敏度，所以
在实际应用中被较多采用。 .
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2．电容式压力传感器 该压力传感器可用于测量微小压差。
图4.21 差动电容式压力传感器原理图