电容式接近开关

电压或频率信号
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2. 变压器电桥电路
Cx1 C0 C Cx2 C0 C
•
•
•
•
Uo
•
U
U Cx2 2
＝U
Z Z Cx1
Cx2
ZCx2
U 2
•
•
•
U
1 U ＝U Cx1 Cx2
11
jCx2 2 2 Cx1 Cx2
jCx1 jCx2
.
可得：
•
•
U
o
U
C
2 C0
对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：
C
2C0
d d0
则灵敏度系数
kC2C0 2s
d
d0
d02
结论：
①差动结构可使传感器灵敏度提高一倍。
②减小了非线性误差。
③能够更好地克服温度等外界共模信号干扰。
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2．变面积式电容式传感器
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x θ
S
C
0
d
S (1 q / p )
C
C (1 q / p )
x
d
0
a)
动极板有角位移时，与定极板的有效面积变化， 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。
谐振电路
谐振式电路的原理方框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路（L2，C2 ，Cx）调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器 取得振荡电压。
工作原理:
当电容传感器的电容Cx发生变化时，谐振回路的谐振频率发生变化，相
对于高频振荡器的频率来说是失谐的，这样使得谐振回路两端的电压振幅也
电容传感器的理想公式为
C A 0r A
dd
d ——极板间距离； A ——极板面积； ε——电容极板间介质的介电常数。
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改变d、A、 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。
声传感器应用模型
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几种不同电容式传感器的原理结构图
调频接收系统可以分为直放式调频和外差式调频两种类 型。外差式调频线路比较复杂，但选择性高，特性稳定，抗 干扰性能优于直放式调频。
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3. 调频电路
f 1
2p L0Cx
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用调频系统作为电容传感器的测量电路主要具有以下特点： •（1）抗外来干扰能力强； •（2）特性稳定； •（3）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）； •（4）因为是频率输出，易于同数字仪器和计算机接口。
就发生了变化，也就是说，该电路具有将电容Cx的变化转换为谐振回路两
端电压振幅变化的作用，即谐振回路两端将获得一个受电容Cx变化量调制
的调幅波。该调幅波经检波器检波后，再经过放大器放大即可指示出输入量
的大小。
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为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的一
边，即最大振幅Um 的70%附近地方，如图所示，且工作范围尽量选 在接近线性的BC段内。 这种电路的特点是比较灵敏，但缺点是：
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3．变介电常数电容式传感器
变介电常数电容式传感器原理动画演示
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常用材料的介电常数
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经推导可知变介电常数式电容传感器其电容 与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式 表示：
Cx ABx
其中A、B均为与结构和介质有关的常数
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三种电容式传感器比较表
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二、测量转换电路
电容式传感器
测量电路
1.运算放大器电路
d
问题：△d是越小好还是大好呢？
k不是常数,且与d
2
0
成反比。极距越小灵敏度越高，
但非线性误差会越大。实际应用中为提高灵敏度和扩
大线性范围，多采用差动式电容传感器。
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差动结构
C 1 d 0 s d d s 01 1 d 1 c 0d C 0 [ 1 d d 0 ( d d 0)2 ( d d 0)3 ....
由图可见A，B两点平均电压值UAB为零。但是，差动电 容C1和C2值不相等时，如C1＞C2，则C1和C2充放电时间
常数就发生改变，这时电路中各点的电压波形如图（b）所 示，由图可见，A，B两点平均电压值不再为零。当矩形电 压波通过低通滤波器后，可得出直流分量:
Uo
UABTT11
T2 T2
U1
T1 ─ C1的充电时间； T2 ─ C2的充电时间； U1 ─ 触发器输出的高电位
d 0
d 0
C 2 d 0 s d d s 01 1 d 1 c 0 d C 0 [ 1 d d 0 ( d d 0)2 ( d d 0)3 ....
d 0
d 0
C C 1 C 2 2 C 0 d d 0[1 . ( d d 0)2 ( d d 0)4 .......
忽略高次项得
•（1）工作点不容易选好，变化范围也较窄；
•（2）传感器与谐振回路要离得比较近，否则电缆的杂散电容对电路的
•
影响较大；
•（3）为了提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性。
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电容传感器的谐振电路
.Fra Baidu bibliotek
4. 脉冲宽度调制电路
经分析推导得：
U0＝C C11－ ＋C C22U1＝ CC 0 U1
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•
• U d Uo
2 d0
（其 C x1中 d0 A d， C x2d0 A d）
优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。
缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波 后，才能辨别位移方向。
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3.调频电路
电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量 使电容量发生变化后，就使振荡器的振荡频率发生变化，频 率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以 用仪表指示或用记录仪器记录下来。
广东机电职业技术学院------传感器应用技术
项目二:电容式接近开关的设计制作
技能训练目标要求: 1、掌握电容传感器的结构原理； 2、学会电容接近开关的设计方法与应用电路； 3、进一步掌握锡焊技巧和电路调试方法； 4、了解电容式传感器的应用情况； 5、锻炼同学们的敬业精神和团队意识。
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一、工作原理及结构形式
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1．变极距式电容传感器
A C0 d0
A Cx d0 x
变极距式电容传感器原理动画演示
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结构示意图
1－定极板 2－动极板
电容量与极板距离的关系
变极距式电容传感器结构及特性曲线
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C
s1 d02
d
C C
则灵敏度系数
k
c d
s
1 d02
C 1C 1
C 2C 2
OO
d 1d 1 d 2 d 2
由于U1的值是已知的，因此，输出直流电压UAB随T1和 T2而变，亦即随UA和UB的脉冲宽度而变，从而实现了输出 脉冲电压的调宽。当然，必须使参考电位Uf小于U1。由电路 可得出，电容C1和C2的充电时间为: