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1、电容式传感器 的应用与发展 电容式传感器的工作原理 电容式传感器的类型及特性 电容式传感器的测量电路 电容式传感器的应用 概论 电容式传感器是实现非电量 到电容量转化的一类传感器。 u可以应用于位移、振动、角度、加 速度等参数的测量中。 u由于电容式传感器结构简单、体积 小、分辨率高，且可非接触测量， 因此很有应用前景。 、电容式传感器的工作原理 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： 式中： 电容极板间介质的介电常数， ， 其中0为真空介电常数，r为极板间介质相对介 电常数； A两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。 保持其中两个参数不变，
2、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。 u在实际使用时，电容式传感器常以改变改变平行 板间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度 高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。 u改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级的 位移，而改变面积A的传感器只适用于测量厘米 数量级的位移。 、电容式传感器的类型及特征 由电容器的工作原理知，电容式传 感器可分为三种类型： a.变面积式电容传感器 b.变间隙式电容传感器 c.变介电常数式电容传感器 变面积式电容传感器 左图是变面积型电容传 感器原理结构示意图。 被测量通过动极板移动 引起两极板有效覆盖
3、面 积S改变，从而改变电容 量。 当动极板相对于定极板延长度a方向平移x时，可得： 式中 为初始电容。电容相对变化量为 很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移x是线 性关系，因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量 较大的直线位移和角位移。它的灵敏度为： 变面积式电容传感器 右图是电容式角位移传感器 原理图。当动极板有一个角 位移时，与定极板间的有效 覆盖面积就改变，从而改变 了两极板间的电容量。 当=0时， 当0时 从上式可以看出，传感器的电容量C与角位移呈线性关系 变间隙式电容传感器 左图为变极距型电容式传感 器的原理图。当传感器的r 和A为常数，初始间隙为d0 时，其初始电容量为：
4、 若电容器极板间距离由初始值d0缩小d，电容量增大C，则有 由式(4-3)知传感器的输出 特性C =f(d)不是线性关系 在式(4-3)中，当 d/do1 时， ,则上式可简化为： 此时C与d呈近似线性关系，所以变极距型电容式传感器只有 在d/d0很小时，才有近似的线性输出。 由式(4-4)还可以看出，在d0较小时，对于同样的 d变化 所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小 ，容易引起电容器击穿或短路。 为防止击穿或短路，极板间可采用高介电常数的材料（ 云母、塑料膜等）作介质。云母片的相对介电常数是空气的 7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气的仅为 3kV/mm。
5、因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。 同时传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极距型电容式传感器的起始电容在20 30 pF之 间，极板间距离在25200m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。 变间隙式电容传感器 变介电常数式电容传感器 左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1，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，则此时变换器电容值 为： 式中： 空气介电常数； C0 由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即 ： 可见此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。 传感器总电容
6、量C为： 式中： L0，b0极板长度和宽度； L 第二种介质进入极板间的长度。 若电介质 ，当L=0时，传感器初始电容： 当介质 进入极间L后，引起电容的相对变化为： 可见电容的变化与电介质 的移动量L呈线性关系。 变介电常数式电容传感器 用于电容式传感器的测量电路很多，常见 的电路有： a.普通交流电桥 b.变压式电桥 c.双T电桥电路 d.运算放大器式测量电路 e.脉冲调制电路 f.调频电路 、电容式传感器的测量电路 普通交流电桥 变压器电桥具有使用元件最少 ，桥路内阻最小的特点。电桥 输出电压为: 若传感器为变极距式差动电容传 感器，则电桥输出为： 经放大、相敏检波和滤波后输出直流电压U
7、SC大小与 位移成 线性关系，其正负极性反映位移的方向。 变压式电桥 如左图所示，C1、C2为传感器 的两个差动电容。 电桥的空载输出电压为： 对变极距型电容传感器 ， ，代入上 式得： 可见，对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在 负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。 双T电桥电路 二极管双T型交流电桥又称为二极管 T型网络，如图所示。e是高频电源， 它提供幅值为Ui的对称方波，VD1、 VD2为特性完全相同的两个二极管， R1=R2 ，C1、C2为传感器的两个差 动电容。当传感器没有输入时，C1 = C2。 电路工作原理如下： 当e为正半周时，二极管 导通、 截止，于是电容C1充电；在随后
8、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。 在负半周内， 导通、 截止，则电容C2充电；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，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。 若传感器输入不为0，则C1C2，那么I1I2，此时RL上必定有信号输出，其 输出在一个周期内的平均值为: 式中f为电源频率。 当RL已知，上式中 （常数），则： 输出电压U0不仅与电源电压的幅值和频率有关，而且与T型网络中的电容C1 和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压U0是电容C1和C
9、2的函数。 运算放大器式测量电路 运算放大器的放大倍数K非常 大，而且输入阻抗Zi很高。 运算放大器的特点可以使其 作为电容式传感器的比较理 想的测量电路。左图是运算 放大器式电路原理图。 图中Cx为电容式传感器， 是交流电源电压， 是输出信号电 压，是虚地点。由运算放大器工作原理可得： 如果传感器是一只平板电容，则Cx =A/d，代入上式有： 上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d线性关系。 运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的 非线性问题。 脉冲调制电路 左图为一种差动脉冲宽度调制电路。当接通 电源后，若触发器Q端为高电平(U1)， 端为 低电平(0)，则触发器通过R1对
10、C1充电；当F 点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器 IC1产生一个脉冲使触发器翻转，从而使Q端 为低电平， 端为高电平(U1)。 此时，电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由 端经R2向C2充电 ；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器IC2输出一个脉冲使触发器翻 转，从而循环上述过程。 可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、 C2调制。当C1=C2时，各点的电压波形如下图 (a)所示，Q和 两端电平的脉 冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1C2时，各点的电压波形如下 图(b)所示，Q、 两端间的平均电压（经一个低通滤波器）为： （ a) (
11、b) 上式中：T1和T2分别为Q 端和 端输出方波 脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。 当且仅当R1=R2=R时，则有 可见，输出电压与电容变化成线性关系 调频电路 调频测量电路原理框图如左 图 所示，Cx为电容变换器。 图中调频振荡器的振荡频率为 式中： L0振荡回路的电感； C 振荡回路的总电容， 。其中，C1为振荡回路固有电 容；C2为传感器引线分布电容；而 为传感器的电容。 当被测信号为0时，C =0，则 ，所以振荡器有一个固有频率 ： 当被测信号不为0时，C0，振荡器频率有相应变化，此时频率为： 调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可以测至0.01 m级位移变化量。 信号输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、 接收以实现遥测遥控。 、电容式传感器的应用 电容式传感器的应用很广泛，常见 的有： a.电容式位移传感器 b.电容式压力传感器 c.电容式加速度传感器 d.电容式液位传感器 e.电荷式荷重传感器 f.电容式测厚仪 Thank you for watching
