传感器技术课件——电容式传感器.ppt

量发生变化。
这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度、液面高度等，也可用来 测量介质材料的湿度、介电常数等。
A ) 电容测厚仪
C0 C1
C
C C0C1 C0 C1
这种传感器的电容量等于两个电容 C0和 C1 相串联
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C C0C1
0 1
C0 C1
0 A 01 A
C C0C1 C0 C1
C 0 A
2
+
+
+
+
因此电容器传感器的灵敏度为：
+
+
S C 0 A
2
灵敏度与极距的平方值成反比， 极距越小时灵敏度越高。
为减小非线性误差，该类传感器 通常用于测量微小位移。
4
S
C
0 A 2
为减小非线性误差，通常规定在较小的间隙变化范围 内工作以便获得近似的线性关系。一般取极距变化范
围为 0.1
与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有桥式电路、调 频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。
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（一） 交流电桥
电容传感器阻抗
Z1
Z3 E
U SC
Z2
交流 放大器
Z4
相敏 检波器
低通 滤波器
Ui
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电桥初始平衡条件：
Z1 Z4 Z2 Z3 U SC 0
当被测参数引起传感器阻抗变化 时Z，
C 20 h
ln(D d )
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设容器中介质是不导电液体（如果是导电液 体，则电极需绝缘）
C1 C2
C
C C1 C2
总的电容
C相当于上方气体介质间的电容量
C 1
和液体介质间电容量C 2
之
和（相并联）。
C1
2 0 2 h2
ln(D / d )
202 (h h1)
ln(D / d )
C2
2 01h1
0
1
0 A 01 A
0A 1 0
0A 1 1
0
1
1 1
此时
为空气相对介电常数，
0
1为待测体的相对介电常数，
当厚度 1不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪。
如果待测体的介电常数 1不变时，可作测厚仪使用。
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B ) 电容液面计 这类传感器常常采用同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。 两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：
U SC
( Z1 Z Z1 Z Z2
Z3 )E Z3 Z4
代入初始平衡条件，化简：
Z Z
( )( 1 )
U SC
ZZ
1
2
(1 Z1 )2
E
Z2
U SC
Z Z1
对于电容传感元件来说，有如下关系：
Z ＝ C d
Z1
C1
d1
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Cr1 U
Cr2 USC
变压器式交流电桥
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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（2） 面积变化型
C 0 A
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A ) 角位移式电容传感器
当两极板相对角位移为 时，
A r2
2
C
0 r 2 2
可见，电容值与角位移 呈线性关系。
此时，传感器的灵敏度k为： k dC 0 r 2 常数 d 2
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B ) 直线位移式电容传感器
当两极板相对距离为x时，电容量：
Cx
0 bx
2
1. 工作原理及类型
用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时其电
容C为：
A
C 0 A
δ
ε
δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。
电容式传感器
变极距型
变面积型
变介质型
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（1） 极距变化型
C 0 A
变极距型传感器常常是一块极板固定而使另一块极板移动，
从而改变极距以引起电容的变化。
差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗 极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输 入位移均成线性关系。
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（二） 调频振荡电路
这种电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而 使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化。由于振荡器的 频率受电容传感器的电容调制故称为调频电路。 这种电路具有抗干扰性强，灵敏度高等优点； 但缺点是电缆电容的影响较大。
ln(D / d )
C
C1
C2
202 (h h1)
ln(D / d )
2 01h1
ln(D / d )
C A Kh 1
2 0 2
ln(D / d
)
h
20 (1 2
ln(D / d )
)
h1可见，同轴圆筒电容传感器的电容量
A
K
与液位成线性关系。
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2. 电容式传感器的测量电路
电容式传感器的电容值一般十分微小，不便于直接显示、记录和传输。因此， 必须借助于测量电路检测出这个微小的电容变量，并转换为电压、电流或频 率信号。
减小δ可以提高灵敏度。但δ过小易导致电容器击穿。 可在极间加一层云母片或塑料膜来改善电容器耐压性 能。
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为提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件（如 电源电压、环境温度等），常采用差动式结构。 在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板 的距离均为
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设可动极板上移 ，则 C1增大，C2 减小。
4.4 电容式传感器
采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转 换为电容量的变化。
被测信息
敏感元电件容元电转件容换元件
信号调理电路 输出信息
实际上是一个 具有可变参数 的电容器
辅助电源
电容式传感器广泛用于位 移、角度、振动、速度、 物位、压力、成份分析、 介质特性等方面的测量。
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学习要点
1.掌握电容式传感器的类型（根据工作原理）、特 点及其应用； 2.了解电容式传感器的测量电路； 3.了解电容式传感器的特点； 4.了解电容式传感器的应用
通过A）B）C）的分析可得出结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常数， 即具有良好的线性，但灵敏度较变极距型低。大多数用来检测较大直线 位移及角位移等参数。
变面积式电容传感器也采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。
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（3） 介质变化型
C 0 A
当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容
传感器的灵敏度为：
k dCx 0 b 常数 dx
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C ) 圆柱体线位移式电容传感器
随动板圆柱的位移，定板圆柱与动板圆柱之间的覆盖面积发生变化，从而 电容量发生变化。
两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：
C 20 x
x
ln(D d )
当覆盖长度变化时，
k C 20 常数
x ln(D d )
C1
C0
1
1
C0
[1
0
( )2 ( )3
0
0
]
C2
0
C0 [1
0
( )2 0
( )3 0
]
电容的总变化量为：
C
C1 C2
C0
[2
0
2( 0
)3
]
灵敏度为：
S C 2 C0
0
变极距型差动电容传感器
C 2
Hale Waihona Puke Baidu
C0
0
可见，采用差动式电容传感器，灵敏度提高一倍，非线性得到改善。