第5章 电容式传感器剖析

当双稳态触发器的Q端输出为高电平时，A点通过R1对C1充电，C点电位 逐渐升高。在Q端为高电平期间，非端为低电平，电容C2通过低内阻的二
极管D2迅速放电，D点电位被钳制在低电平。
当C点电位升高超过参考电压Uf时，比较器A1产生一个“置零脉冲”，触 发双稳态触发器翻转，A点跳变为低电位，B点跳变为高电位。此时C1经 二极管D1迅速放电，C点被钳制在低电平，而同时B点高电位经R2向C2
U0
I RL
RL
1 T
T 0
|i1
(t
)
i2
(t
)
|
dt
.RL
R(R 2RL ) (R RL )2
RLU
If
(C1
C2 )
R(R 2RL ) (R RL )2
RL
M
U 0 MU I f (C1 C2 )
负载电阻上的输出电压与电容的差值成正比，并与电 源电压幅值和电源频率有关。
双T形电桥电路特点
桥式电路 双T电桥电路 脉冲宽度调制电路 FM调频电路等
一、桥式电路
桥平衡时
Cx C1 C3 C2 U0 0
差动电桥空载时输出电压
U 0
Cx1 Cx2 Cx1 Cx2
U i 2
C C0
U i 2
交流电桥的电路形式
二.双T型电路
Ui是频率为f的高频激励电源(约1MHz)，它提供了 幅值对称的方波。D1、D2为特性完全相同的两只二极 管,固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电 容，初始值C1=C2 。 在Ui为正半周时，D1导通、D2截止，于是电容C1快 速充电到Ui的幅值，有电流i1流过RL。 在随后的负半周期间，D1截止、D2导通，于是电 容C2快速充电到Ui的幅值,而电容C1放电。有电流i2逆 向流过RL。
d0
Cx
b(a
d0
x)
C0 (1
x) a
C x
C0
a
kx
dCx dx
b
d0
变面积电容传感器，电容Cx与直线位移成正比。
变面积式电容传感器灵敏度k0为常数；
• 输出特性为线性关系； • 适合大位移测量。
2 同心圆筒形变面积式
Cx
2 b(h0
ln(R /
x) r)
C0 (1
x h0
)
Kx
dCx dx
2
ln(R / r)
2 角位移变面积式
C
A0
d0
(1
) C0 (1
)
Kx
dC
d
A0 d
5.1.2变极距形电容传感器
5.1.2变极距式电容式传感器
C
Cx
C0
A
d0
x
A
d0
x d0 x C0
kx
dCx dx
A
(d0 x)2
电容Cx与位移x不是线性关系， 其灵敏度Kx不为常数
0
k0
C / C
21
0
灵敏度提高一倍
l
( 0
)2
100 %
非线性误差减小
差动式电容传感器特性曲线
5.1.4 变介质形电容传感器
电容与介质参数之间关系为
C
1
1 C1
1 C2
d0
0A
r
测介质及厚度
• 改变介质（ε） ，可作为介电常数的测试仪器。
• 介电常数保持不变（介质不变），S 和d 一定，改变
➢ 要提高传感器灵敏度 k 应
减小初始极距d0 ，但初 始极距受电容击穿电压限 制；
➢ 非线性误差随相对的位移 的增加而增加, 为保证线性 度应限制相对位移；
➢ 起始极距与灵敏度相矛盾， 变极距型电容传感器适合 测小位移；
➢ 为提高灵敏度和改善非线 性，一般采用差动结构。
kx
dCx dx
A
(d0 x)2
5.1.3 差动电容传感器
1
2
1
2
初始位置时， 1 2 0
C0
S 0
动极板上移： 1 0 2 0
C1
C0
C
S 0
C0 (1
)1
C2
C0 C
S 0
C0
(1
)1
当
/ 0 1时，C
C1
C2
2C0[
0
( 0
)3
...]
略去高次项：
C 2
C
第5章 电容式传感器 capacitive sensors
电容式传感器
非电量
电容元件 电容量变化
➢ 1920~1925 电容传感器用于测量 ➢ 70~80年代，应用广泛 ➢ 集成电容传感器
主要内容
➢ 5.1 电容式传感器的工作原理和结构形式 ➢ 5.2 电容式传感器的测量转换电路 ➢ 5.3电容式传感器的应用 ➢ 5.4 应用举例（压力、液位和流量的测量）
充电。
当d点电位超过Uf时，比较器A2产生一个“置1脉冲”，使触发器再次翻
转，A点恢复为高电位，B点恢复为低电位。
如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受
①电路较为简单； ②差动电容传感器、信号源、负载有一个公共的
接地点，不易受干扰； ③VD1和VD2工作在伏安特性的线性段，死区电
压影响较小； ④输出信号为幅值较高的直流电压。
三、调频（FM）电路 f 1
2 L0C
调频电路将电容传感器作为LC振荡器谐振回路 的一部分。当电容Cx发生变化，就使振荡器的 频率f产生相应变化，实现了C/f的变换。
0—— 真空介电常数，8.85×10-12F/m r —— 极板间介质的相对介电常数
S —— 极板的有效面积（m2）
—— 两平行极板间的距离（m）
各种电容传感器
电容式压 力变送器
电容式差压传感器
电容式接近开关
硅微压力 电容式传感器
5.1.1 变面积型式电容传感器
1 平板形变面积式
C0
a0b
电容式传感器的特点
➢ 电容器容量小(几十～几百微法)，输出 阻抗高;
➢ 极板静电引力小, 工作所需作用力很小； ➢ 可动质量小,固有频率高,动态响应特性
好； ➢ 功率小，本身发热影响小； ➢ 可以进行非接触测量。
5.1 电容式传感器的工作原理和结构类型 一、工作原理
C S 0r S
C —— 电容量，单位：F 法拉
介质厚度 δ ，可作为测厚仪器；
电容式液位计(可以理解为变面积或变介电原理)
Ch C空气 C溶液
2 0 (h1 h) 2 1h
ln(R / r) ln(R / r)
2 0
ln(R / r)
[h1
( r1
1)h]
Kh
dC dh
2 0 ( r1 1)
ln(R / r)
5.2 电容传感器的测量转换电路
四.差动脉冲调宽电路
直流参 考电压
比较器
双稳态 触发器
充放电 回路
传感器 差动电 容
U0
UA
UB
t1
t1 t2
U1
t1
t2 t2
U1
t1 t1
源自文库 t2 t2
U1
在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受C1、C2调制的脉冲波形
脉冲调制电路的输出波形 a）C1=C2时的波形 b）C1>C2时的波形