传感器原理及应用-第5章 - 电容式传感器讲解

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1、电容器电容器 特性特性 被测非电量被测非电量 电容值电容值 测量测量 电路电路 UU、I I、f f 第五章 电容式传感器 uu电容式传感器的定义电容式传感器的定义 以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变 化的传感器。化的传感器。 uu电容式传感器的感测量电容式传感器的感测量 位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。 uu电容式传感器的种类电容式传感器的种类 根据结构形式：根据结构形式：变极距型、变面积型和变介质型。变极距型、变面积型和变介质型。 第五章 电容式传感器 5.1 电容

2、式传感器工作原理和结构 5.2 电容式传感器等效电路 5.3 电容式传感器测量电路 5.4 电容式传感器应用 电容极板间介质的介电常数，0为真 空介电常数，r极板间介质的相对介电常数 ；A两平行板所覆盖的面积；d两平行板之 间的距离。 两个平行金属板组成的平板电容器， 不考虑边缘效应时电容量为 一、基本工作原理 5.1 电容式传感器工作原理和结构 d 极板1 极板2 被测参数变化A、d或发生变化时， 电容量C也随之变化。 仅改变一个参数， 该参数的变化可转换为 电容量的变化，通过测 量电路就可转换为电量 输出。 电容式传感器的三种类型： 变极距型、变面积型和变介电常数型。 一、基本工作原理 5

3、.1 电容式传感器工作原理和结构 若电容器极板间距离由初始 值d0缩小了d，电容量增大了C ，则有 二、变极距型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 d/d01时，1-(d/d0)21，则 C与d近似呈线性关系。变极距 型电容式传感器只有在d/d0很小 时，才有近似的线性关系。 1、基本输出特性 电容的相对变化量为 二、变极距型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 当|d/d0|1时，级数展开有 输出电容的相对变化量与输 入位移之间成非线性关系。 传感器的相对非线性误差： 2、非线性特性 电容传感器的灵敏度为 二、变极距型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 3、

4、灵敏度 单位输入位移所引起的输出 电容相对变化的大小与d0呈反比 关系。 当|d/d0|1时有近似线性关 系 2、非线性特性要提高灵敏度，应减小起始 间隙d0，但非线性误差却随着d0 的减小而增大。 一般变极板间距离电容式传 感器的起始电容在20100pF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 。 变极距电容式传感器在微位 移测量中应用最广。 在差动式平板电容器中，当动极 板位移d时，电容器C1的间隙d1变为 d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d ，则 二、变极距型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 在实际应用中，为了提高灵敏度 ，减小非线

5、性误差，大都采用差动式 结构。 4、差动式结构 动极板动极板 定极板定极板 定极板定极板 C1 d1 C2 d2 电容值相对变化量为 二、变极距型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 略去高次项，则C/C0 与d/d0近似线性关系为 电容值总的变化量为 4、差动式结构 动极板动极板 定极板定极板 定极板定极板 C1 d1 C2 d2 差动式传感器的灵敏度为 二、变极距型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 差动式传感器的相对非线性误差 近似为 4、差动式结构 动极板动极板 定极板定极板 定极板定极板 C1 d1 C2 d2 差动式结构的电容传感器非线性 误差大大降低，灵敏度

6、增加了一倍。 两种常用变面积型电容传感器： 线位移式和角位移。 三、变面积型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 传感器的电容量与水平位移呈线 性关系。 被测量通过动极板移动引起两极 板有效覆盖面积改变，产生电容量的 变化。当动极板相对于定极板平移x 时，则电容相对变化量为 1、平行平板线位移式 初始电容C0为 三、变面积型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 传感器的电容量与内筒线位移呈 线性关系。 当覆盖长度变化时，电容量也随 之变化。当内筒上移为a 时，内外筒 间的电容相对变化量为 2、同轴圆筒线位移式 D d L a 初始电容C0为 三、变面积型电容传感器 5.1

7、电容式传感器工作原理和结构 传感器的电容量与角位移呈线性 关系。 当动极板有一个角位移时，与 定极板间的有效覆盖面积就发生改变 ，从而改变了两极板间的电容量。电 容相对变化量为 3、角位移式 设固定极板长度为a、宽度为b、两极 板间的距离为d；被测物的厚度和介电常 数分别为dx和, 则 四、变介质型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 传感器的电容量与被测量物体的厚度 和介电常数有关。 当介电常数一定时，通过传感器电容 量的变化测量物体的厚度。 1、单组平板厚度式电容传感器 dx 设极板宽度为b，板间无介质2时 ，传感器的电容量 四、变介质型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和

8、结构 传感器的电容量与位移呈线性关系。 插入介质2 后的电容量 2、单组平板位移式电容传感器 d2 1 CB l d1 2 x CA CACB C 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，变换器电容值为 四、变介质型电容传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 变换器的电容增量正比于被测液位高度。 3、测量液位圆筒式电容传感器 C2 C1 C 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 5.2 电容式传感器等效电路 5.3 电容式传感器测量电路 5.4 电容式传感器应用 考虑了电容器的损耗和电感效应， 电容式传感器的等效电路。

9、 一、电容式传感器等效电路 5.2 电容式传感器等效电路 根据等效电路，电容式 传感器有一个谐振频率，通 常为几十兆赫。当工作频率 等于或接近谐振频率时，谐 振频率破坏传感器正常作用 。因此，工作频率应该选择 低于谐振频率。 并联损耗电阻Rp： 表示极板间的泄漏电阻和介质损耗 。并联损耗低频时影响大，随着工作频 率增高，容抗减小，影响就减弱。 串联损耗电阻Rs： 引线电阻、电容器支架和极板电阻 的损耗。 电感L： 电容器的电感和外部引线电感。 第五章 电容式传感器 5.1 电容式传感器工作原理和结构 5.2 电容式传感器等效电路 5.3 电容式传感器测量电路 5.4 电容式传感器应用 与电感传

10、感器不同，电 容传感器中电容值和电容变 化量都十分微小，难以直接 为仪表所显示和记录。 因此，需要一些测量电 路检测出电容的微小变化量 ，并转换成相应的电压、电 流或频率输出。 一、调频式测量电路 5.3 电容式传感器测量电路 常用测量电路： 调频电路、运算放大器 电路、二极管双T形交流电 桥、环形二极管充放电电路 、脉冲宽度调制电路等。 Cx f 振荡器 uf 限幅 放大器 u L 鉴频器 调频测量电路中电容式传感器作为 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。 若用频率直接作为测量系统的输出 量，来判断被测非电量的大小，具有非 线性、不易校正

11、等问题。 因此，加入鉴频器，频率变化转换 为电压振幅变化来输出。 调频振荡器的振荡频 率为 一、调频式测量电路 5.3 电容式传感器测量电路 调频测量电路具有较高的灵敏度， 可测量高至0.01m级位移变化量。 信号输出频率易于用数字仪器测量 ，并与计算机通讯，抗干扰能力强， 可 实现遥测遥控。 当被测信号不为0时，C0，振荡 器频率变化为 振荡回路的总电容， C=C1+C2+Cx，C1为振荡回 路固有电容, C2为传感器引 线分布电容, Cx=C0C为 传感器的电容。 当被测信号为0时， C=0，则振荡器有一个固 有频率为 运算放大器的放大倍数大， 输入阻抗高, 可作为电容式传感 器的理想测量

12、电路。 二、运算放大器测量电路 5.3 电容式传感器测量电路 运算放大器电路输出电压为 测量电路输出电压的相位与电 源电压的反相。 设Cx为电容式传感器电容； Ui是交流电源电压; Uo是输出信 号电压; 是虚地点。运算放大 器输入电流可认为零，根据克希 荷夫定律有 平行平板电容传感器，则 二、运算放大器测量电路 5.3 电容式传感器测量电路 实际上运算放大器测量电路仍 然存在一定的非线性。 为保证仪器精度，除了要求运 算放大器阻抗和放大倍数足够大外 ，还要求电源电压的幅值和固定电 容值非常稳定。 运算放大器的输出电压与极 板间距离成线性关系。 在运算放大器的放大倍数和 输入阻抗无限大的条件下

13、，运算 放大器电路解决了变极距型电容 传感器的非线性问题。 二极管双T形交流电桥电路中， e为高频电源，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，R1、R2为阻值相等 的两个固定电阻，C1、C2为传感器 的两个差动电容。 三、二极管双T形交流电桥 5.3 电容式传感器测量电路 （1）传感器没有输入C1=C2 当e为正半周时，二极管VD1导 通、VD2截止，则电容C1充电至U。 在前负半周时，电容C2已经充电至 电压U。 1、电路基本结构 2、基本工作原理 三、二极管双T形交流电桥 5.3 电容式传感器测量电路 （1）传感器没有输入时C1=C2 电容C1以I1向RL

14、供电，而电容C2经 电阻R2和负载电阻RL放电，流过RL的电 流为I2。流过RL的总电流IL为I1和I2的代 数和。 2、基本工作原理 同理，当e为负半周时，流过负载电 阻RL的电流为I1和I2的代数和。 根据所给的条件，在一个周期内流 过负载电阻上平均电流I1=I2、I1=I2且方 向相反，流过RL的平均电流为零。 三、二极管双T形交流电桥 5.3 电容式传感器测量电路 （2）传感器有输入时C1C2 若传感器输入不为0，则C1C2, I1I2, 在一个周期内通过RL上的平均 电流不为零。因此，输出电压在一个 周期内平均值为 2、基本工作原理 输出电压既与电源幅值和频率f 有 关，又与电容C1

15、和C2的差值有关。 三、二极管双T形交流电桥 5.3 电容式传感器测量电路 （2）传感器有输入时C1C2 当RL一定时，引入常数M，在一 个周期内输出电压平均值可简写为 2、基本工作原理 当电源确定后，输出电压是电容 C1和C2的函数。 （3）双T电路的特点 线路简单，可全部放在探头内 ，大大缩短了电容引线、减小了分布 电容的影响； 电源周期、幅值影响 灵敏度，要求高度稳定； 输出阻抗与电容无关 ，克服了电容式传感器高内 阻的缺点； 适用于具有线性特性 的差动式传感器。 在环形二极管充放电法测量 电容电路中，高频方波信号源， 通过环形二极管电桥，对被测电 容进行充放电，环形二极管电桥 输出一个

16、与被测电容成正比的微 安级电流。 四、环形二极管充放电测量电路 5.3 电容式传感器测量电路 1、电路基本结构 输入方波加在电桥的A点和 地之间，Cx为被测电容，Cd为平 衡电容传感器初始电容的调零电 容，C为滤波电容，A为直流电 流表。二极管双T形交流电桥的改进 （1）当输入的方波由E1跃变到E2 时，电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充 电到E2。 电容Cx的充电电流为i1，Cd的充电 电流为i3。在充电过程中T1这段时间内 ，VD2、VD4一直处于截止状态，由A点 向C点流动的电荷量为 四、环形二极管充放电测量电路 5.3 电容式传感器测量电路 在放电过程中T2这段时 间内，VD1、VD3截止，由C 点向A点流过的电荷量为 2、基本工作原理 （2）当输入的方波由E2返回到E1 时，Cx、Cd放电，两端的电压由E2下 降到E1，放电电流分别为i2和i4。 （3）设方波的频率f=1/T0即每秒 钟要发生