电容式传感器及应用

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1、第3章电容式传感器及应用8/22/20211引言电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器。结构简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作。很有发展前途的传感器。8/22/20212目录3.1电容式传感器工作原理及类型3.2电容式传感器的转换电路3.3电容式传感器的应用8/22/202133.1电容式传感器工作原理及类型由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为保持其中两个参数不变，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

2、电量输出。电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式3种类型。8/22/202143.1.1变面积式电容传感器面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。8/22/20215面积变化型电容传感器原理8/22/20216（a）为平板形位移电容传感器。设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx也随之改变。电容的相对变化量和灵敏度为8/22/20217差动结构形式提高测量

3、精度，减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差。中间极板移动变面积式电容传感器原理8/22/20218（b）为圆柱线位移电容传感器灵敏度K也为一常数。8/22/20219（c）为角位移形式的电容传感器。当动极板有一角位移时，两极板的相对面积A也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化当时当时8/22/202110推导过程电容与角位移成线性关系。其灵敏度为变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一常数。8/22/2021113.1.2变极距式电容传感器两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则电容量C随极距d按非线性关系变化

4、，8/22/202112电容值动极板2未动时传感器初始电容（）。当动极板2移动x值后，8/22/202113结论分析当时电容与x近似线性关系，但量程缩小很多，变极距式电容传感器的灵敏度为8/22/202114极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小灵敏度越高。但过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。原理上的非线性，要修正。差动工作方式，电容传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了很大的改善，8/22/202115结论极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性

5、好，灵敏度和精度极高（可达nm级），适应于较小位移（1nm～1m）的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容（如电缆电容、分布电容等）的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂8/22/2021163.1.3变介电常数式电容传感器介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。8/22/202117介质变化型电容传感器结构8/22/202118结论传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面h成线性关系

6、，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h。8/22/2021193.2电容式传感器的转换电路电容传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还需由后接的转换电路将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。8/22/202120转换电路的组成部分1．交流电桥2．调频电路3．运算放大式电路4．脉冲宽度调制电路5．二极管双T型交流电桥8/22/2021211．交流电桥将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由电阻-电容、电感-电容组成的交流电桥，图3-6为电感-电容电桥。8/22/2

7、02122分析变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的4个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，获得与被测量变化相对应的输出，最后为仪表显示记录。8/22/2021232．调频电路把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络中，被测量的变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化。频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。8/22/2021242．调频电路的特点测量电路的灵敏度很高，可测0.01m的位移变化量，抗干扰能力强（加入混频器后更强

8、），缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，输出电压U0与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂。8/22/2021253．运算放大式电