电容式传感器

1．电容式传感器典型测量电路的分析与计算。 2．差分式电容压力传感器的工作原理。
学情分析
教学效果
教后记
新授课 B、新授课
A、复习 电容式传感器的基本概念和性质。
第三节 电容式传感器典型测量电路及分析
一、交流电桥电路
用于电容式传感器的交流电桥电路如图 4 - 6 所示。
图 4 - 6 电容式传感器桥式转换电路
教学难点
三种类型电容式传感器的电容变化量计算。
学情分析 教学效果
教后记
新授课 B、新授课
A、复习 电阻式传感器。
第一节 电容式传感器的基本概念及主要特点
一、基本概念
电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物 理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输 出的测量装置。
由调频电路组成的系统方框图如 4 - 8 所示。
图 4 - 8 调频电路系统框图
三、脉冲宽度调制电路
1．脉冲宽度调制电路的原理 脉冲宽度调制电路利用对传感器电容的充、放电，使电路输出脉冲的宽度随电容式 传感器的电容量变化而变化，并通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。 脉冲宽度调制电路如图 4 - 9 所示。它主要由比较器 A1，A2，双稳态触发器及电容 充、放电回路组成。C1，C2 为差分式电容式传感器。 当双稳态触发器输出 Q 为高电平时 A 点通过电阻 R1 对电容 C1 充电。此时的输出 Q 为 低电平，电容 C2 通过二极管 D2 迅速放电，从而使 G 点被钳制在低电位。直到 F 点的电 位高于参考电压 UR 时，比较器 A1 产生一个脉冲信号，触发双稳态触发器翻转，使 A 点 成为低电位，电容 C1 通过二极管 D1 迅速放电从而使 F 点被钳制在低电位。同时 B 点高 电位，经 R2 向 C2 充电。 当 G 点电位被充至 UR 时，比较器 A2 就产生一个脉冲信号。双稳态触发器再翻转一 次后使 A 点成为高电位，B 点成为低电压。如此周而复始，就可在双稳态触发器的两输 出端各自产生一宽度受 C1，C2 调制的脉冲波形。
图 4 - 7 为电容式传感器的调频电路图，其中图（a）为调频电路框图，图（b）为 调频电路原理图。该电路是把电容式传感器作为 LC 振荡回路中的一部分，当电容式传 感器工作时，电容 Cx 发生变化，这就使得振荡器的频率 f 发生相应的变化。由于振荡 器的频率受到电容式传感器电容的调制，从而实现了电容向频率的变换，因而称之为调 频电路。
量为 式中，α——覆盖面积对应的中心角度 r——极板半经 ?α——动极板的角位移量
这种单边角位移式传感器的灵敏度为 式中，A0——电容器起始覆盖面积
θ——动板的角位移量
实际应用时，为了提高电容式传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差
分式，如图 4 - 2（c）所示。中间的极板 2 为动板，上、下两块（即板 1 和 3）为定板。 当动板向上移动一个距离 x 后，上极距就要减少一个 x，而下极距就要增加一个 x，从
（a）单臂接法 （b）差分接法
其中图（a）为单臂接法的桥式测量电路，电路中高频电源经变压器接到电容电桥 的一条对角线上，电容 C1，C2，C3，Cx 构成电桥电路的 4 个桥臂，Cx 为电容传感器。当 交流电桥平衡时，即 C1 / C2 = Cx / C3，则输出Uo 0 ，当 Cx 改变时，则Uo 0 ，就会 有电压输出。
练习
思考题与习题 4 - 1、4 - 2、4 - 3
小结
1．电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件 把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或 频率等信号输出的测量装置。
2．电容式传感器的工作原理，电容量计算公式为： C ε A
3．电容式传感器的基本类型：变面积（A）型、变极距（δ）型、变介电常数 （?）型。
第四章 电容式传感器
第一节 电容式传感器的基本概念及主要特
课 题点
课型
新课
第二节 电容式传感器的工作原理及结构形
式
授课班级
授课时数
2
教学目标
1．理解电容式传感器的基本概念和特点。 2．掌握电容式传感器的工作原理及结构形式。
教学重点
1．电容式传感器的基本概念。 2．电容式传感器的工作原理及 3 种结构形式。
第四节 电容式传感器的应用
一、电容测厚仪
电容测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的仪器，其工作原理如图 4 -
10 所示。
1．电容测厚仪结构 检测时，在被测金属带材的上、下两侧各安 装一块面积相等、与带材距离相等的极板，
图 4 - 10 电容测厚仪原理示意图
1—金属带材 2—电容极板 3—传动轮 4—轧辊
并把这两快极板用导线连接起来，作为传感器的
一个电极板，而金属带材就是电容传感器的另一
个极板。
2．原理
其总的电容量 C 就应是两个极板间的电容之
和（C = C1 + C2）。如果带材的厚度发生变化， 用交流电桥电路就可将这一变化检测出来，然后再经过放大就可在显示仪器上把带材的
厚度变化显示出来。
用于这类厚度检测的电容式厚度传感器的框图如图 4 - 11 所示。
板，当被测物体带动可动板 2 发生位移时，就改变了可动板与固定板之间的相互遮盖面 积，并由此引起电容量 C 发生变化。
对于如图 4 – 2（a）所示的平板式单边直线位移式传感器，若忽略边缘效应，其
电容变化量为
4 - 2 变面积型电容式传感器结构原理图
（a）单边直线位移式 （b）单边角位移式 （c）差分式
式中，b——极板宽度 a——极板起始遮盖长度 Δa——动极板位移量 ε——两极板间介质的介电常数 δ——两极板间的距离 C0——初始电容量
这种平极单边直线位移传感器的灵敏度 S 为 S = ΔC / d x = ε b / δ = 常数
对于如图 4 - 2（b）所示的单边角位移型传感器，若忽略边缘效应，则电容变化
C εA
式中，A——两极板相互遮盖的面积（mm2） ?——两极板之间的距离 （mm） ε——两极板间介质的介电常数（F / m）
由以上计算公式可见，当被测量使 A，δ，ε 三个参
图 4 - 1 平板式电容器
数中任何一项发生变化时，电容量就要随之发生变化。
二、结构形式
1．变面积（A）型电容式传感器 变面积型电容传感器的结构原理如图 4 - 2 所示。图中（a）、（b）为单边式，（c） 为差分式；（a）、（b）也可做成差分式。图中 1，3 为固定板，2 是与被测物相连的可动
（提问） （与电阻 是对比介 绍） （简要分 析原因） （讲解） （讲解） （讲解） （区别三 种变面积 型电容式 传感器） （讲解） （讲解）
第二节 电容式传感器的工作原理及结构形式
一、工作原理
电容式传感器的工作原理可以从图 4 - 1 所示的平板式电容器中得到说明。由物理
学可知，由两平行极板所组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为
可见，电容的变化与介质 2 的移动量 l 成线性关系。 上述原理可用于非导电绝缘流体材料的位置测量。如图 4 - 5（b）所示，将电容 器极板插入被监测的介质中。随着灌装量的增加，极板覆盖面也随之增大，从而测出输 出的电容量。根据输出电容量的大小即可判定灌装物料的高度 l。 说明：当极板间有导电物质存在时，应选择电极表面涂有绝缘层的传感器件，以防 止电极间短路。
图 4 - 9 脉冲宽度调制电路
2．脉冲宽度调制电路具有如下特点 ① 可以获得比较好的线性输出。 ② 双稳态的输出信号一般为 100 Hz ~ 1 MHz 的矩形波。因此只需要经滤波器简单 处理后即可获得直流输出，不需要专门的解调器，且效率比较高。 ③ 电路采用直流电源。虽然直流电源的电压稳定性要求较高，但与高稳定度的稳 频、稳幅交流电源相比，还是容易实现的。
而引起上、下电容变化。差接后的这种传感器灵敏度可提高一倍。 2．变极距（δ）型电容式传感器
图 4 - 3 为变极距型电容式传感器结构原理图。图中 1 和 3 为固定极板，2 为可动
极板（或相当于可动极板的被测物），其位移由被测物体带动。从图 4 - 3（a），（b） 可看出，当可动极板由被测物带动向上移动（即 δ 减小）时，电容值增大，反之电容
电容 C 与间隙 δ 之间的变化特性如图 4 4 所示。电容式传感器的灵敏度用 S 表示，其
计算公式为
在实际应用时，为了改善其非线性、提高灵敏度和减小外界的影响，通常采用图 4 - 3 （c）所示的差分式结构。这种差分式传感器与非差分式的相比，灵敏度可提高一倍， 并且非线性误差可大大降低。差分式电容式传感器的灵敏度计算公式为
图（b）为差分式电容式传感器，其空载输出电压为 式中，C0——传感器初始电容值
?C——传感器电容量的变化值 需要说明的是，若要判定U o 的相位，还要把桥式转换电路的输出经相敏检波电路 进行处理。
二、调频电路
（提问） （参考电 路图讲解） （讲解） （参考教 材，说明调 频电路的 特点） （简单介 绍各组成 部分作用） （对照电 路图说明 电路原理） （讲解） （讲解） （结合图 片讲解原 理） （分析控 制电路中 的信号流 向及转换
图 4 - 11 电容式测厚传感器方框图
图中的多谐振荡器输出的电压 U1，U2 通过 R1，R2（R1 = R2）交替对电容 C1，C2 充、
放电，从而使驰张振荡器的输出交替触发双稳态电路。当 C1 = C2 时，Uo = 0；当 C1 ≠
C2 时，双稳态电路 Q 端输出脉冲信号，此脉冲信号经对称脉冲检测电路处理后变成电压
布置作业
思考题与习题 4 - 4、4 - 5
课题 授课班级 教学目标 教学重点
教学难点
第四章 电容式传感器
第三节 电容式传感器典型测量电路及分析 课 型