电容式传感器

Cx
L
振荡器
Δf Δu 限幅放大器 Δf
鉴频器
Δu
调频式测量电路原理框图
28
3·4·1 调频测量电路
调频振荡器的振荡频率为：
f
1 2 LC
当被测信号为0时，ΔC 为零。当被测信号不为0时， C产生变化ΔC，相应引起Δf 的变化为
f
C
1 4 L
L
C
f
3
2
C
振荡 电路
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电容式接近开关 被测物体 感应电极
测量头构成电容器的一个极板， 另一个极板是物体本身，当物体 移向接近开关时，物体和接近开 关的介电常数发生变化，使得和 测量头相连的电路状态也随之发 生变化.接近开关的检测物体， 并不限于金属导体，也可以是绝 缘的液体或粉状物体。
振荡电路
被测电容
3.3 电容式传感器的特点及等效电路
电容式传感器

学习要求：
1、掌握变极距、变面积、变介质电容式传 感器的工作原理，特点及应用。 2、熟悉常用电容式传感器的常用检测电路 及特点。 3、学习应用电容式传感器。
1
2
电容式传感器
电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化 转换成电容变化量的一种传感器。实际上 , 它本身（或 / 和 被测物）就是一个可变电容器。
变介质型电容式传感器

可见，此变换器的电容增量正比于被测液位 高度h。 变介质型电容传感器有较多的结构形式，可 以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可 用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电 固体介质的湿度。

20
变介质型电容式传感器

L0
L r2 r1
d0
图中两平行电极固定不 动，极距为d0，相对介 电常数为εr2的电介质以 不同深度进入电容器中， 从而改变两种介质的极 板覆盖面积。 传感器总 电容量C为
C C1 C2 0b0
r1 ( L0 L) r 2 L
d0 d0 C0
0b0 r1L0
d0

0b0 ( r 2 r1 ) L
0b0 ( r 2 r1 )
d0
L
21
电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。
电容式传感器应用
式中, f 为电源频率。
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Uo Ui f M (C1 C2 )
R( R 2 RL ) RL M (常数) 2 ( R RL )
被测量的变化 电容式传感器 电容量的变化 被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转 速、流量及成份分析等, 精度可达 0.01%，250mm量程可 达5um。 电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一 种传感器，是很有发展前途的。
3
3.1 电容式传感器的工作原理和结构
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，
0
d0 dg
g
10
此时电容C变为：
C
S dg
0 g

0
d0
式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7； ε0——空气的介电常数，ε0=1； d0——空气隙厚度； dg——云母片的厚度。
11
电介质材料的相对介电常数
12
云母片的相对介电常数是空气的 7 倍，其击穿电压不小
S
S
可见ΔC与Δd 并不是纯粹线性关系。
d 当Δd<<d 时， C C0 ， d C S 灵敏度 K s 2 d d
可见在d越小时灵敏度越高。在测量微小量变化时，可以近 似认为 C d
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变极距电容式传感器
在 d0 较小时，对于同样的 Δd 变化所引起的 ΔC 可以很 大，从而使传感器灵敏度提高。 d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间 可部分采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等） 作介质, 如下图，
35
若传感器输入不为0，则C1≠C2, I1≠I2, 此时在一个周期 内通过RL上的平均电流不为零， 因此产生输出电压，输出
电压在一个周期内平均值为
1 T U o I L RL [ I1 (t ) I 2 (t )]dtRL T 0 R( R 2 RL ) RL U i f (C1 C2 ) ( R RL )
Ci Uo Ui d S 输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。
Ui
Uo
32
3.4.4 二极管双T形交流电桥

二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2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。
于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，
极板间起始距离可大大减小。同时， dg/ε0εg 项是恒定值， 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极距电容式传感器的起始电容在 20~100pF 之间， 极板间距离在25~200μm 的范围内。最大位移应小于间距 的1/10， 故在微位移测量中应用最广。
3.3.1 特点： 优点： 1、温度稳定性好。 2、结构简单，适应性强。 3、动态响应性好。 4、可以实现非接触测量。 5、可以实现微压、微力、微小位移、加速度等的测量。 缺点： 1、输出阻抗高，负载能力差。 2、寄生电容影响大。 3、输出特性非线性。
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3.3.2 等效电路
R
R,L —— 传输线的电阻和电感 C CP C —— 传感器的电容； RP Cp —— 寄生电容； Rp —— 极间漏电阻（绝缘电阻）； A，B端等效电容 Ce (忽略Rp, R 的影响)：
15
2、角位移量
C
S
d d 2 C r Ks 2d

r 2
2
16

3、圆柱型位移量
2h C ln( D / d ) 2 h h 2h 2h C ln( D / d ) ln( D / d ) ln( D / d ) C 2 Ks h ln( D / d )
与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。

电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二
极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。
27
3.4.1 调频测量电路
调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的 一部分。当输入量导致电容量发生变化时, 振荡器的振荡 频率就发生变化。 将频率作为测量系统的输出量, 可以用来判断被测非 电量的大小, 但此时系统是非线性的, 不易校正, 因此加 入鉴频器, 将频率的变化转换为振幅的变化, 经过放大处 理后输入显示或记录等仪器。
VD2 VD1
B A
R2 R1 RL
e
C1
C2
(a)
33
R1
R2
U
C1
I1
RL
I2
C2
R1
(b)
R2
C1
I1
RL
I2
C2
U
(c)
二极管双T形交流电桥
34
当传感器没有输入时，C1=C2。其电路工作原理如下：当 e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电， 其等效电路如图（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1上 的电荷通过电阻 R1 ，负载电阻 RL 放电，流过 RL 的电流为 I1 。 当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效 电路如图（c）所示；在随后出现正半周时， C2通过电阻R2， 负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2 。根据上面所给的条件， 则电流 I1=I2 ，且方向相反，在一个周期内流过 RL的平均电流 为零。


等效电容灵敏度：
Ce ks C ke 2 2 2 d 1 LC d 1 LC




2
26
3.4 电容式传感器检测转换电路

电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小,
这样微小的电容量很难直接为目前的显示仪表所显
示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。必须借助 于测量电路检出这一微小电容增量, 并将其转换成
L
A Ce B
1 1 jL j jCe C C p Ce 1 LC C p
2
25
C Cp
等效电路
C 若Cp 很小，则 Ce 2 1 LC
来自百度文库对C 求导：
dCe 1 , 2 2 dC (1 LC ) 1 Ce C 2 2 1 LC
测量电路
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3·4·2调幅电路
①交流电桥法
C1 C X C2 C3
，电桥平衡 U 0 0
设C1=C2=C3=CX=C,则CX改变时：
U2 U2 1 U 2 C3 C x U 2 C U0 1 1 C3 2 2 C C 4 C 3 x C x C3
+ + + +
+
+
5

(a )
(b )
(c)
(d)
2
(e)
1
(f)
(g )
(h )
(i)
(j)
( k)
(l)
图4-1 电容式传感元件的各种结构形式
图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型， 图(a)和(e)为变极距型， 图(i)～(l)则为变介电常数型。
6
7
驻极体电容传声器
它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材 料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取 代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。 特点是体积小、性能优越、使用方便。
8
3.2 电容式传感器的灵敏度及非线性
3·2·1 变极距电容式传感器 当电容器板间极距d 缩小Δ d，电容器增大Δ C。
d d C S C0 d d d d (d d ) d d
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差动型电容式传感器
实际应用中，常常采用差动型电容式传感器。 作用：改善非线性，提高灵敏度，减少外界因素影响。
C (
S
d d d d d d S d d S 2d d 2 d d d d d d d d 2 2 S d d2
如果不考虑边缘效应，其电容量为
C
S
d

+ + +
S
式中: ε——电容极板间介质的介电常数， ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极 板间介质的相对介电常数； S——两平行板所覆盖的面积；
d——两平行板之间的距离。
d
4
3.1 电容式传感器的工作原理及类型
当被测参数变化使得式中的S、 d或ε发生变化时， 电容 量C也随之变化。保持其中两个参数不变，而仅改变其 中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化， 通过测量电路就可转换为电量输出。 因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介 电常数型三种。其中变极距型和变面积型应用较广。
C1
AC
Cx U0 C3
30
U2 C2
②谐振法
振 荡 器
L
Cx
整流 放大
M
L,Cx构成振荡电路。
V
0
f
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3·4·3 运算放大器式测量电路
变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非 线性关系，使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采 用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转 换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化 型电容式传感器的输入电路，采用固定电容Ci，Ui为稳定 的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比 例器的运算关系为 Ci Cx Uo Ui Ci Cx Cx S / d

S
)(
S

S
)
C S Ks 2 2 d d
14
3.2.2 变面积型
C
( S S )
d

S
d

S
d
可见：C与S满足线性关系。 C 灵敏度为：K s S d 直线位移测量 b C d C C b Ks d
17
3.2.3 变介质型电容式传感器
C
0A
18
D d
3.2.3 变介质型电容式传感器


H h
1
如图是一种变极板间介质的电容 式传感器用于测量液位高低的结 构原理图。设被测介质的介电常 数为ε1，液面高度为h, 变换器总 高度为H，内筒外径为d，外筒内 径为D，此时变换器电容值为
21h 2 ( H h) 2 H 2 h(1 ) 2 h(1 ) C C0 D D D D D 1n 1n 1n 1n 1n d d d d d 2H C0 式中：ε——空气介电常数； D C0——变换器初始电容值, 即 1n d