电容式传感器概述

项目四 电容式传感器 知识准备
变极距式电容传感器的特性曲线
从图中可以看 到，为了提高灵 敏度，应使当d0 小些还是大些？ 当变极距式电容 传感器的初始极 距d0较小时，它 的测量范围变大
还是变小？
a）结构示意图
b）电容量与极板距离的关系
1—定极板 2—动极板
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差动式结构
表4-1几种介质的相对介电常数
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变介电常数式电容传感器的用途
根据表4-1，分析不同介质对变介电常数电容器的影 响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一 种情况下的电容量大？
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第二节 电容式传感器的测量转换电路
电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。 理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电 容及变化太小，不易实现。 – 电桥电路 – 调频电路 – 谐振电路 – 运算放大器式电路 – 脉冲宽度调制电路
电容式传感器概述
2021年4月14日星期三
项目四 电容式传感器 项目引入
电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振幅(可测至 0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加 速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含 量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。 在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。
•2021/4/14
测厚仪作为一种在线测量 板材厚度的高精密仪器，在 整个轧机的厚控系统中占着 非常重要的地位。它为轧机 的AGC系统提供实时厚度偏差 信号，信号的准确度与分辨 力直接影响了压扎板材的厚
度质量。
项目四 电容式传感器 项目引入
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项目四 电容式传感器 知识准备
第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式 电容传感器的基本理想公式为
传感器电容是振荡器谐振回路的一部分。当输入量使传感器电容量发生 变化时，振荡器的振荡频率发生变化。频率的变化经过鉴频器变为电压 变化，再经过放大后由记录器记录或显示仪表指示。
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第二节 电容式传感器的测量转换电路 （谐振电路 ）
电容传感器的电容Cx作为谐振电路(或) 调谐电容的一部分。 此谐振回路通过电感耦合，从稳定的高 频振荡器获得振荡电压。
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例:
一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙 d=0.3mm，介电常数ε=8.85×10-12F/m，试求： 1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量Δd=2μm, 电容变化量是多少? 2)若测量电路的灵敏度S1=100mv/PF, 读数仪表的灵敏度S2=5格/mv, 当 Δd=2μm,时，读数仪表示值变化多少格?
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变面积式电容传感器的特性
变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度 是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、 尺寸等参量。
2021年4月14日星期三
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二、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。
U
适合于高频电源下工作。
Cr1 Cr2 U0
（d）
变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。
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第二节 电容式传感器的测量转换电路 （电桥电路 ）
电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出。
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第二节 电容式传感器的测量转换电路 （调频电路 ）
解： 1）
2）S1*S2*ΔC=100*5*0.01=5格
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三、变介电常数式 常用变介质型电容传感器的结构型式如下图所示。
用途： 测量纸张、绝缘薄膜等的厚度 测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度
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三、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。
当传感器的电容Cx发生变化，谐振回路 的阻抗也发生相应变化，并被转换成整 流器电流的变化。
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。
•2021/4/14
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电容式传感器传感元件
电容式传感元件的各种结构形式
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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。
当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变 极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感 器内。
电容式传感器是利用电容器的原理将被测非电量转换为电容量的变 化，实现非电量到电量的转化。根据电容器变化的参数不同，电容传感器可 以分为：变间隙式、变面积式和变介电常数式
•为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响 ，常采用差动式电容传感器 •上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板 •未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中 间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。
δ1
δ2
S
差动平板式电容传感器结构
2021年Байду номын сангаас月14日星期三
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第二节 电容式传感器的测量转换电路 （电桥电路 ）
Cr1
C
U0
R
R
U （a）
Cr1
Cr2
U0
C
C
U
（b）
Cr1
Cr2
U0
L
L
U （c）
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第二节 电容式传感器的测量转换电路 （电桥电路 ）
另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较 高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响 极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，