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1、传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 主要内容：主要内容： 5.1 5.1 电容传感器工作原理和类型电容传感器工作原理和类型 5.2 5.2 电容传感器输出特性电容传感器输出特性 5.3 5.3 电容传感器测量电路电容传感器测量电路 5.4 5.4 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 概述 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 电容式接近开关 电容式指纹传感器 电容式变送器 差压传感器 各种电容式传感器 概述 传感器原理及应用传感器原
2、理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 电容式传感器典型应用 硅微电容式传感器 测量管道液位高度 概述 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 加速度等机械量精密测量。现在逐渐应用于压力加速度等机械量精密测量。现在逐渐应用于压力 、 压差、液面、成份含量等方面的测量。压差、液面、成份含量等方面的测量。 电容式传感器的特点是：电容式传感器的特点是： 电容器容量小几十几百微法，具有高输出阻抗电容器容量小几十几百微法，具有高输出阻抗; ; 静电引力小（极板间），工作所
3、需作用力很小；静电引力小（极板间），工作所需作用力很小； 可动质量小可动质量小, ,具有高的固有频率动态响应特性好；具有高的固有频率动态响应特性好； 功率小，本身发热影响小；功率小，本身发热影响小； 可以进行非接触测量。可以进行非接触测量。 5.1 电容传感器工作原理和类型 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 v 电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化 ， 电容传感器工作原理可以用平板电容说明： 改变式中 S 极板面积，称变面积型传感器 极板距离，称变极距型传感器 介电常数，称变介质型传感器 真空介电常数 相对介电常数， 无介质时空气介质 r =1
4、 5.1 电容传感器工作原理和类型 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 变极距型传感器 5.1 电容传感器工作原理和类型 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 变面积型传感器 5.1 电容传感器工作原理和类型 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 变介质型传感器 5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 初始电容 当 减小 时电容C增加 C0 C C 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章
5、电容式传感器电容式传感器 当 时，用泰勒级数展开 电容相对变化 5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（） 忽略高次项 v 传感器灵敏度 5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 讨论：讨论： 要提高传感器灵敏度要提高传感器灵敏度 K K 应减小初始极距应减小初始极距 ， 但但初始极距初始极距受电容击穿电压限制；受电容击穿电压限制； 非线性随相对的位移非线性随相对的位移 的增加而增加的增加而增加, ,为保证为保证 线性度应限制相对位移；线性度应限制相对位移； 起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器起始极距与灵
6、敏度相矛盾，变极距型电容传感器 适合测小位移；适合测小位移； 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构 。 5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 差动结构的电容特征方程式为差动结构的电容特征方程式为 ： 上静片 下静片 动片 设设C C 1 1 增加，增加，C C 2 2 减小，且减小，且C1=C2 C1=C2 电容的总的变化量 5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 电容相对变化量 电
7、容特征方程忽略高次项为电容特征方程忽略高次项为 ： 传感器（差动式）灵敏度 相对非线性误差为 结论： 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍； 非线性误差减小（多乘 因子）。 5.2 电容传感器输出特性 2 变面积型（S） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 平板电容：当动极板移动X后两极板间电容量为： 初始电容: 电容的相对变化量: v 平板变面积型电容传感器灵敏度 结论： 变面积式电容传感器灵敏度K为常数； 输出特性为线性； 适合大位移测量。 5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式
8、传感器电容式传感器 当某种介质在两固定极板之间运动时， 电容量与介质参数之间的关系为： 变介电常数式电容传感器分几种情况： 测介电常数 （粮仓、木材湿度） 测介质厚度 d(纸张、薄膜厚度） d 动片 5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 d为介质的厚度，d、S保持不变， 改变 ，可作为介电常数的测试仪器。 介电常数 保持不变，S和一定， 改变介质厚度 d，可作为测厚仪器。 5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（） 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 测液位高度
9、 （根据液体容器的形状计算） 5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录， 必须将电容变化转换为电流、电压的变化。 电容传感器的等效电路包括:传输线的电感L0、电阻R（小）; 极板等效漏电阻Rg；传感器电容C0 ；A、B两端分布电容Cp， Cp常比C0还大。低频时Xc大，L、R可忽略，高频时Xc小，L、 R不可忽略，工作频率10MHz以上要考虑电缆电感L的影响，相 当L、C串联，有一个谐振频率f0，当f=f0时串联谐振阻抗最小 。 5.3 测量电路 1.电容传感器的等效
10、电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 v 用金属屏蔽罩屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场； v 前级紧靠转换元件或装在同一壳体内，避免信号长距离传输 ； v 驱动电缆技术，驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法。 原理是：连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。 （跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变 化的电压，所以称（驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性 漏电从而消除寄生电容的影响。 内外屏蔽之间的电容是放大器 负载。这一方法可在10M距离不 影响传感器性能，保证电容1pF 时也能正常工作。可提高电容传 感器
11、的稳定性。 5.3 测量电路 2.电桥电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。 单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容C0与之相匹配； 差动形式传感器 是两个桥臂 交流电桥的输出电压为： 代入： 5.3 测量电路 2.电桥电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 v 输出电压与输入位移成理想线性关系 极板在中间位置时 动片上移时电容变化 5.3 测量电路 2.电桥电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 交流电桥的多种形式 5.3
12、测量电路 3. 二极管双T型电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 VE是高频对称方波电源， D1、D2特性相同二极管 C1、C2传感器差动电容 R 固定电阻，RL负载。 一个周期内RL上的平值 电压为： v 一个周期内负载RL上输出电压URL与电源电压VE幅值、 频率f有关;与电容的差值(C1-C2)成正比 5.3 测量电路 3. 二极管双T型电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 双T型电路工作原理分析 正半周D1导通D2截止C1充电； 负半周D1截止D2导通C2充电； If =I1+I2，If =I1+I
13、2 C1 = C2时，If = If 5.3 测量电路 4差动脉冲调宽电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 电路原理图 电路组成：A1、A2比较器；FF双稳态触发器； VD1、VD2与电 阻组成充放电回路；Uf参考直流电压; 双稳态作输出;电容Cx1、Cx2 为传感器差动电容。 电路分析： 设接通电源时A高B低，R1 对C1充电C点上升到Uf，比比 较器较器A1A1输出极性改变，触输出极性改变，触 发器翻转；发器翻转；A A低低B B高，高，D1D1道道 通通C1C1放电；同时放电；同时B B点经点经C2C2充充 电使电使A2A2翻转。翻转。 传感器
14、原理及应用传感器原理及应用 第第5 5章章 电容式传感器电容式传感器 5.3 测量电路 4差动脉冲调宽电路 波形图 C1= C2C1= C2，UCUC、UDUD放电时间相同，输出放电时间相同，输出 平均电压平均电压U0=0U0=0； C1C2C1C2，输出平均电压，输出平均电压 U00 U00 ，若，若 C1C1C2C2，输出，输出A A、B B两点的平均值等于两点的平均值等于 UAUA、UBUB之差。之差。 双稳态的两个输出端各产生一调制脉双稳态的两个输出端各产生一调制脉 冲，脉冲宽度受冲，脉冲宽度受C1C1、C2C2调制。输出为调制。输出为 两端之差两端之差 低通输出低通输出 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第5
