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1、4.4 4.4 电容式传感器电容式传感器采用采用电容器电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转作为传感元件，将不同物理量的变化转换为换为电容量电容量的变化。的变化。被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息电容元件电容元件电容元件电容元件实际上是一个实际上是一个具有可变参数具有可变参数的电容器的电容器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。1学习要点学习要点1.1.掌握电容式传感器的类型（根据工作原理）、特点掌握电容式传感器的类型（根据工作原理）、特点及其应用；及其应用；2.2.了解电
2、容式传感器的测量电路；了解电容式传感器的测量电路；3.3.了解电容式传感器的特点；了解电容式传感器的特点；4.4.了解电容式传感器的应用了解电容式传感器的应用21.工作原理及类型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、A A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。变面积型变面积型电容式传感器电容式传感器变极距型变极距型变介质型变介质型3（1）极距变化型极距变化型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。+因此电容器传感器的灵敏度为：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
3、非线性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。4n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n减小可以提高灵敏度。但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。5为提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件（如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。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的距离均为6设可动极板上移设可动极板上移 ，则，则 增大，增
4、大，减小。减小。电容的总变化量为：电容的总变化量为：灵敏度为：灵敏度为：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。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。变极距型差动电容传感器变极距型差动电容传感器7（2）面积变化型面积变化型8A)A)角位移式电容传感器角位移式电容传感器可见，电容值与角位移可见，电容值与角位移 呈线性关系。呈线性关系。此时，传感器的灵敏度此时，传感器的灵敏度k k为：为：当两极板相对角位移为当两极板相对角位移为 时，时，9B)B)直线位移式电容传感器直线位移式电容传感器当两极板相对距离为当两极板相对距离为x x时，电容量：时，电容量：传感
5、器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：10C)C)圆柱体线位移式电容传感器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。电容量发生变化。两个两个同轴圆筒电极同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：组成的电容器，其电容值为：当覆盖长度变化时，当覆盖长度变化时，通过通过A A）B B）C 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，）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即具有良好的线性，但灵敏度较
6、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。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。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。11（3）介质变化型介质变化型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，从而引起了电容量发生变化。量发生变化。这类传感器常用做检测容器中这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度片状材料的厚度、液面高度液面高度等，也可用来等，也可用来测量介质材料的湿度、介电常数等。测量介质材料的湿度、介电常数等。A)A)电容测厚仪电容测厚仪C0C1C这种传感器的电容
7、量等于两个电容这种传感器的电容量等于两个电容 和和 相串联相串联12 此时此时 为空气相对介电常数，为空气相对介电常数，为待测体的相对介电常数，为待测体的相对介电常数，当厚度当厚度 不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪。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如果待测体的介电常数 不变时，可作测厚仪使用。不变时，可作测厚仪使用。13B)B)电容液面计电容液面计两个两个同轴圆筒电极同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：组成的电容器，其电容值为：这类传感器常常采用这类传感器常常采用同轴圆筒电极同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。组成的电容器作为测量装置。14设容器中介质
8、是不导电液体（如果是导电液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）体，则电极需绝缘）总的电容总的电容 相当于上方气体介质间的电容量相当于上方气体介质间的电容量 和液体介质间电容量和液体介质间电容量 之和之和（相并联）。（相并联）。可见，同轴圆筒电容传感器的电容量可见，同轴圆筒电容传感器的电容量与液位成线性关系与液位成线性关系。C1CC215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，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、电流或频必须借助于测量电路检测出这个微小的电容变
9、量，并转换为电压、电流或频率信号。率信号。2.电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有桥式电路桥式电路、调调频振荡电路频振荡电路、运算放大器式电路运算放大器式电路和和脉冲调宽型电路脉冲调宽型电路等几种。等几种。16（一）（一）交流电桥交流电桥Ui交流放大器相敏检波器低通滤波器Z1Z2Z3Z4电容传感器阻抗电容传感器阻抗17电桥初始平衡条件：电桥初始平衡条件：当被测参数引起传感器阻抗变化当被测参数引起传感器阻抗变化 时，时，代入初始平衡条件，化简：代入初始平衡条件，化简：对于电容传感元件来说，有如下关系：对于
10、电容传感元件来说，有如下关系：18变压器式交流电桥变压器式交流电桥变压器式交流电桥变压器式交流电桥Cr1Cr2USCU变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多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。采用。采用。采用。差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗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，电桥输出电压与输极大时，
11、对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输极大时，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。入位移均成线性关系。入位移均成线性关系。入位移均成线性关系。19（二）（二）调频振荡电路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。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
12、干扰性强，灵敏度高等优点；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。但缺点是电缆电容的影响较大。20（三）（三）运算放大器电路运算放大器电路当运放的输入阻抗很高，增益很大时，认为输入电流当运放的输入阻抗很高，增益很大时，认为输入电流 ，则，则从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性。从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性。该电路要求固定电容该电路要求固定电容 必须稳定，信号源电压必须采取稳压措施必须稳定，信号源电压必须采取稳压措施21（四）脉冲调宽型电路（四）脉冲调宽型电路该电路由比较器该电路由比较器A A1 1 A A2 2，双稳态
13、，双稳态触发器及电容充放电回路组成。触发器及电容充放电回路组成。C1C1、C2C2为差动电容，为差动电容，双稳态触发器的两个双稳态触发器的两个输出端输出端A A、B B作为差动作为差动脉冲宽度调制电路的脉冲宽度调制电路的输出，输出，为宽度受为宽度受C1C1、C2C2调制的方波脉冲调制的方波脉冲。特点：特点：1.1.不需要附加调制器即能获得直流输出；不需要附加调制器即能获得直流输出；2.2.输出信号一般为输出信号一般为100kHz100kHz1MHz1MHz的矩形波，所以直流输出只需要经过的矩形波，所以直流输出只需要经过低通滤波器简单引出；低通滤波器简单引出；223.电容式传感器的应用电容式传感
14、器的应用（一）电容测厚仪（一）电容测厚仪 当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，则当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，则 发生变化。发生变化。增大，增大，表示板材厚度变厚；表示板材厚度变厚；减小，表示板材厚度变薄。减小，表示板材厚度变薄。的变化经过电桥的变化经过电桥调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，再经过整流滤波和差动放大后，一方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差大后，一方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差信号送给压力调节器，使板材厚度控制在规定范围内。信号送给压力调节器，使板材厚度控制在规定
15、范围内。23（二）电缆偏心测量（二）电缆偏心测量 图为测量电缆芯的偏心原理图，在实际应用中是用两对电容传感器，图为测量电缆芯的偏心原理图，在实际应用中是用两对电容传感器，分别测出在分别测出在x方向和方向和y方向的偏移量，再经计算得出偏心值。方向的偏移量，再经计算得出偏心值。24（三）电容式压力传感器（三）电容式压力传感器 它由金属弹性膜片与镀金凹型玻璃圆片组成。当被测压力它由金属弹性膜片与镀金凹型玻璃圆片组成。当被测压力P通过过滤通过过滤器进入空腔时，由于弹性膜片两侧的压力差，使弹性膜片凸向一侧，器进入空腔时，由于弹性膜片两侧的压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个镀金玻璃圆片与
16、弹性膜片间的电容量。产生位移，该位移改变两个镀金玻璃圆片与弹性膜片间的电容量。25如何求？如何求？26对于一个球面平面型电容器，在忽略边缘效应时，可用单元积分法求对于一个球面平面型电容器，在忽略边缘效应时，可用单元积分法求出出27上述差动式电容传感器配置二极管环行检波电路，即可输出（上述差动式电容传感器配置二极管环行检波电路，即可输出（420）mA标准电流信号。标准电流信号。稳幅放大器稳幅放大器比例放大器比例放大器恒压恒流源恒压恒流源电流转换器电流转换器28将两差动电容值代入二极管环行检波电路输出电流表达式，得到：将两差动电容值代入二极管环行检波电路输出电流表达式，得到：化简得到，化简得到，输出电流与差压呈线性关系。输出电流与差压呈线性关系。29（四）电容式测微仪（四）电容式测微仪采用非接触方式精确测量微小位移和振动振幅。采用非接触方式精确测量微小位移和振动振幅。电容探头与待测表面间形成电容探头与待测表面间形成的电容为：的电容为：将待测电容将待测电容 接入高增益运放的反馈回路中，则接入高增益运放的反馈回路中，则3031