湿敏电阻的电阻
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项目四 电容式传感器的应用
一 二
电容式传感器在位移检测中的应用
电容式湿敏传感器在空气湿度检测中应用 掌握电容式传感器的调试方法
任务一 电容传感器在位移检测中的应用
在机床主轴的回转精度不但对于精加工零 件的形状精度和表面光洁度有着很大的影 响，而且也是评价机床精加工能力的重要 指标之一。利用电容式传感器对机床主轴 进行回转精度的测量（位移检测）,以便 预测机床在理想加工条件下所能达到的最 小形状误差和粗糙度，判断产生加工误差 的原因。
C
b(a x)
d0
d0 bx C C C0 d0
ab bx
d0
C0
bx
d0
结论：
C b k x d 0
1.变面积式传感器输出特性是线性的； 2.灵敏度是常数
应用
变面积型电容传感器还可以将极板加工为其它 形状，以实现其它量的测量，但其原理、方法都 是相同的，可见变极板面积型一般可用来测角位
当动板上移△d后： c1：d1=d0-△d c1=c0+△c1 c2：d2=d0+△d c2=c0-△c2 当动板下移△d后： △c=c1-c2=-2c0△d/d0 C 2 S 2 灵敏度： K
d d0
△c=c1-c2=2c0△d/d0
应用
变极距式电容式传感器，一般用来测量微小
的线位移(小至0.01微米～零点几毫米)，可以说
变极距式电容传感器的输出特性是非线性的， 可用微机来计算修正。 为了提高传感器的灵敏度，减小非线性， 常常把传感器做成差动形式。
差动形式变极距电容传感器
初始条件： d1=d2=d0
c1 d1
d2
c2
s1=s2=s
1 2
c1=c2=c0
△c=c1-c2=0
图04-01-03 差动变极距式电容传感器
1、认识所使用的电容式传感器
二.差动圆筒型电容传感器检测位移的工作原理
本任务所用的电容式传感器是圆筒型的变
面积式电容传感器，由两个外圆筒和一个内圆 筒构成，采用差动形式，形成两个电容器。当 中间的内圆筒随被测物体移动时，内圆筒和两 个外圆筒之间相覆盖的面积发生变化，导致两 个电容器的电容量一个增大，一个减小，将三 个极板用导线引出，形成差动电容输出。
图04-01-001-11 电容式液位计
二 .测量转换电路 电桥电路
C
Z1 Ui UO Z2
CX2
Z1
Ui
CX1
UO Z2
CX
图04-01-002-01 电容传感器桥式转换电路
电容电桥
放大器
相敏整流
滤波器
输 出
移相器 振荡器
图04-01-002-02 电容传感器桥式转换电路构 成测量转换系统框图
1.变极距型 a）初始电容值
△d
d
图04-01-001-02 变极距式电容传感器
C0
S
d0
d 0 d
b)电容受外力作用，极距减小△d电容器容量变为： S S 1
C1 C0 C
c）极距增加△d电容器容量变为：
d 1 1 d0 C1 C0 C C0 ( ) C0 ( ) 2 d d 1 1 2 d0 d0百度文库
当前微位移传感器大都采用电容传感器，并且它
分辨力极高、无接触、反作用力。
图04-01-001-04电容式微位移传感器
2.变面积型
图04-01-001-05 变面积式电容传感器 a）平板型 b)同心圆筒型 c)角位移型
分为平板型直线位移式、同心圆筒型和角位移型。
2.变面积型
• 设两矩形极板间覆盖面积为S(ab），当动极板移动 △X，则面积S发生变化，电容量也改变。
移(自一角秒至几十度)、较大线位移、尺寸等参
量。
图04-01-001-06电容式角位移传感器
3、变介电常数型
两个极板长为l，宽为b， 间距为d1＋d2 初始极板内介质介电
常数为ε1，当某厚度为d2
图04-01-001-07 变介电常数式电容传感器
的介质ε2从左往右进入极
板，进入的距离为a，则 电容量发生改变。
d d 0 (1 ) d0
C0
d 1 d0
d 1 d0 d C1 C0 C C0 ( ) C0 C0 2 d d0 1 2 d0 C C0 S 2 灵敏度： K d d 0 d0
若考虑△d/d0<<1时则：
C d C0 d 0
一、电容式传感器的工作原理
ε —极板间介质的介电常数；
d
图04-01-001-01 平板 型电容器
0 为真空中的介电常数 ε = 0 r ， r 为相对介电常数
S —两平行板所覆盖的面积；
d —两平行板之间的距离； C —电容量，单位为F；
C
S
d
0 r S
d
带电极板，其电容与面积、介电常数成正比，与 极板间距成反比。故电容传感器可分为：变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。
1 2 1 ) C0 baf (di , i ) C CA CB C0 ba( 1d2 2d1 d1 d2
广泛应用于 测量介电材 料的厚度、 物位、固体 介质的湿度。 图04-01-001-08 电容湿度计
液位计 21h 2 ( H h) c D D ln ln d d 2H 2h(1 ) D D ln ln d d 2 (1 ) h c0 D ln 图04-01-001-12 电容式液位计结构图 d
TTL电平
调频电路
调 频 振 荡 器
计算机 放
f f
限 幅 器
鉴 频 器
U 0 U
Cx
大 器
图04-01-002-03 调频电路框图
将电容式传感器作为LC振荡电路的一部分，或作为 晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电容传感器 工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器频率发生f产生 相应的变化。由于振荡器频率受电容式传感器电容的 调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路。
运算放大器电路
• 采用集成运算放大器构成， 将传感器电容接在运算放
Cx
ui
C0
大器的反馈端，运算放大
器的输出电压（以变极距 式为例）
u0
C0ui d x u0 s
性问题
图04-01-002-04 运算放大器电路框图
解决了单个变极板距离式电容传感器的非线
技能训练：电容式传感器检测位移
一 二
电容式传感器在位移检测中的应用
电容式湿敏传感器在空气湿度检测中应用 掌握电容式传感器的调试方法
任务一 电容传感器在位移检测中的应用
在机床主轴的回转精度不但对于精加工零 件的形状精度和表面光洁度有着很大的影 响，而且也是评价机床精加工能力的重要 指标之一。利用电容式传感器对机床主轴 进行回转精度的测量（位移检测）,以便 预测机床在理想加工条件下所能达到的最 小形状误差和粗糙度，判断产生加工误差 的原因。
C
b(a x)
d0
d0 bx C C C0 d0
ab bx
d0
C0
bx
d0
结论：
C b k x d 0
1.变面积式传感器输出特性是线性的； 2.灵敏度是常数
应用
变面积型电容传感器还可以将极板加工为其它 形状，以实现其它量的测量，但其原理、方法都 是相同的，可见变极板面积型一般可用来测角位
当动板上移△d后： c1：d1=d0-△d c1=c0+△c1 c2：d2=d0+△d c2=c0-△c2 当动板下移△d后： △c=c1-c2=-2c0△d/d0 C 2 S 2 灵敏度： K
d d0
△c=c1-c2=2c0△d/d0
应用
变极距式电容式传感器，一般用来测量微小
的线位移(小至0.01微米～零点几毫米)，可以说
变极距式电容传感器的输出特性是非线性的， 可用微机来计算修正。 为了提高传感器的灵敏度，减小非线性， 常常把传感器做成差动形式。
差动形式变极距电容传感器
初始条件： d1=d2=d0
c1 d1
d2
c2
s1=s2=s
1 2
c1=c2=c0
△c=c1-c2=0
图04-01-03 差动变极距式电容传感器
1、认识所使用的电容式传感器
二.差动圆筒型电容传感器检测位移的工作原理
本任务所用的电容式传感器是圆筒型的变
面积式电容传感器，由两个外圆筒和一个内圆 筒构成，采用差动形式，形成两个电容器。当 中间的内圆筒随被测物体移动时，内圆筒和两 个外圆筒之间相覆盖的面积发生变化，导致两 个电容器的电容量一个增大，一个减小，将三 个极板用导线引出，形成差动电容输出。
图04-01-001-11 电容式液位计
二 .测量转换电路 电桥电路
C
Z1 Ui UO Z2
CX2
Z1
Ui
CX1
UO Z2
CX
图04-01-002-01 电容传感器桥式转换电路
电容电桥
放大器
相敏整流
滤波器
输 出
移相器 振荡器
图04-01-002-02 电容传感器桥式转换电路构 成测量转换系统框图
1.变极距型 a）初始电容值
△d
d
图04-01-001-02 变极距式电容传感器
C0
S
d0
d 0 d
b)电容受外力作用，极距减小△d电容器容量变为： S S 1
C1 C0 C
c）极距增加△d电容器容量变为：
d 1 1 d0 C1 C0 C C0 ( ) C0 ( ) 2 d d 1 1 2 d0 d0百度文库
当前微位移传感器大都采用电容传感器，并且它
分辨力极高、无接触、反作用力。
图04-01-001-04电容式微位移传感器
2.变面积型
图04-01-001-05 变面积式电容传感器 a）平板型 b)同心圆筒型 c)角位移型
分为平板型直线位移式、同心圆筒型和角位移型。
2.变面积型
• 设两矩形极板间覆盖面积为S(ab），当动极板移动 △X，则面积S发生变化，电容量也改变。
移(自一角秒至几十度)、较大线位移、尺寸等参
量。
图04-01-001-06电容式角位移传感器
3、变介电常数型
两个极板长为l，宽为b， 间距为d1＋d2 初始极板内介质介电
常数为ε1，当某厚度为d2
图04-01-001-07 变介电常数式电容传感器
的介质ε2从左往右进入极
板，进入的距离为a，则 电容量发生改变。
d d 0 (1 ) d0
C0
d 1 d0
d 1 d0 d C1 C0 C C0 ( ) C0 C0 2 d d0 1 2 d0 C C0 S 2 灵敏度： K d d 0 d0
若考虑△d/d0<<1时则：
C d C0 d 0
一、电容式传感器的工作原理
ε —极板间介质的介电常数；
d
图04-01-001-01 平板 型电容器
0 为真空中的介电常数 ε = 0 r ， r 为相对介电常数
S —两平行板所覆盖的面积；
d —两平行板之间的距离； C —电容量，单位为F；
C
S
d
0 r S
d
带电极板，其电容与面积、介电常数成正比，与 极板间距成反比。故电容传感器可分为：变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。
1 2 1 ) C0 baf (di , i ) C CA CB C0 ba( 1d2 2d1 d1 d2
广泛应用于 测量介电材 料的厚度、 物位、固体 介质的湿度。 图04-01-001-08 电容湿度计
液位计 21h 2 ( H h) c D D ln ln d d 2H 2h(1 ) D D ln ln d d 2 (1 ) h c0 D ln 图04-01-001-12 电容式液位计结构图 d
TTL电平
调频电路
调 频 振 荡 器
计算机 放
f f
限 幅 器
鉴 频 器
U 0 U
Cx
大 器
图04-01-002-03 调频电路框图
将电容式传感器作为LC振荡电路的一部分，或作为 晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电容传感器 工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器频率发生f产生 相应的变化。由于振荡器频率受电容式传感器电容的 调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路。
运算放大器电路
• 采用集成运算放大器构成， 将传感器电容接在运算放
Cx
ui
C0
大器的反馈端，运算放大
器的输出电压（以变极距 式为例）
u0
C0ui d x u0 s
性问题
图04-01-002-04 运算放大器电路框图
解决了单个变极板距离式电容传感器的非线
技能训练：电容式传感器检测位移