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1、主要内容： 4.1 电容传感器工作原理和类型 4.2 电容传感器输出特性 4.3 电容传感器测量电路 4.4 电容式传感器的应用举例,第4章 电容式传感器,概述,各种电容式传感器,电容式传感器典型应用,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、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），工作所需作用力很小； 可动质量小,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； 可以进行非接触测量。,4.1 工作原理和类型,电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化
2、， 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,变极距型传感器,变面积型传感器,变介质型传感器,4.2 输出特性 1、变极距型（）,初始电容,当 减小 时电容C增加,当 时，用泰勒级数展开,电容相对变化,忽略高次项,传感器灵敏度,讨论： 要提高传感器灵敏度 K 应减小初始极距 ， 但初始极距受电容击穿电压限制； 非线性随相对的位移 的增加而增加,为保证 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 适合测小位移； 为提高灵
3、敏度和改善非线性，一般采用差动结构。,差动结构的电容特征方程式为：,设C1增加，C2减小，且C1=C2,电容的总的变化量,电容相对变化量,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）。,2 变面积型（S）,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:,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。,当两圆筒相对移动 时，电容变化量为,具有良好线性,圆柱形电容器的电容量为：,3 变介电常数式（）,当
4、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。,根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度,同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器（并联）,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。,测量被测介质的插入深度,（1）无介质插入,（2）有介质插入 两段电容并联,可见, 电容的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。,测液位高度 （根
5、据液体容器的形状计算）,4.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路,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Zc大，L、R可忽略， 高频时Zc小，L、R不可忽略，漏电阻Rg可忽略,用金属屏蔽罩屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场； 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； 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
6、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 感器的稳定性。,2.电桥电路,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：,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,交流电桥的多种形式,3. 二极管双T型电路,VE是高频对
7、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：,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,双T型电路工作原理分析 正半周D1导通D2截止C1充电至 电压U，电源经Rl向负载电阻RL供电，与此同时，电容C2经R2和RL放电，流经RL的电流 为这两电流之和 ； 负半周D1截止D2导通C2充电； If =I1+I2，If =I1+I2 C1 = C2时，If = If,4差动脉冲调宽电路,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
8、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，比较器A1输出极性改变，触发器翻转；A低B高，D1道通C1放电；同时B点经C2充电使A2翻转。,原理：利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号。,波形图,C1= C2，UC、UD放电时间相同，输出平均电压U0=0； C1C2，输出平均电压 U00 ，若C1C2，输出A、B两点的平均值等于UA、UB之差。 双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2
9、调制。输出为两端之差,低通输出,若R1=R2,变面积型,变极距型,输出电压,结论：由此可见, 差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器, 并具有线性特性, 且转换效率高, 经过低通放大器就有较大的直流输出, 且调宽频率的变化对输出没有影响。,5运算放大器式电路,设K为理想运放; Cx传感器电容, Co固定电容;,输入端,输出端,对于单极板平板电容器 传感器运放输出可以为：,输出电压U0与机械位移X（）成线性关系，解决了单电容的非线性关系。,6调频电路,谐振曲线,调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。
10、由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。,4.4 主要性能、特点和设计要点,一、主要性能 1、静态灵敏度 变极距型电容传感器,由,得,由于,将上式展成泰勒级数得,圆柱型变面积电容传感器,由,得,差动变面积电容传感器,结论：差动式比单组式的灵敏度提高一倍,2、非线性,变极距型,因,采用差动形式得：,结论：变面积和变介质型电容传感器比 变极距型电容传感器的线性度好。,求差动形平板电容器的非线性误差,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,在d/d01时, 则按级数展开:,电容值总的变化量为 C=
11、 C1-C2=C0,电容值相对变化量为,对于单组式变极距型平板电容传感器,电容的相对变化量为,如果只考虑式中的线性项和三次项,则电容式传感器的相 对非线性误差近似为,当,时，则上式可按级数展开，故得,如果考虑式中的线性项与二次项,由此可得出传感器的相对非线性误差为,可见, 电容传感器做成差动式之后,而且非线性误差大大降低了。,二、主要特点及设计要点 1、特点 优点： （1）温度稳定性好 电容值与电极材料无关，自身发热极小。 （2）结构简单，适应性强 能在较恶劣的环境下可靠工作。 （3）动态响应好 极板质量小且静态引力极小适合动态测量。,（4）可实现非接触测量 在测量物料料位、物体振动振幅等时，
12、电容器极板与被测体表面构成电容器，实现非接触测量。 缺点： （1）输出阻抗高，带负载能力差 电容器电容值小，在频率较低时，容抗较大，带负载能力较差。 （2）寄生电容影响较大 在电容器与测量电路较远，需用电缆线连接时，导线与极板间的寄生电容较大。造成测量误差。,2、设计要点 （1）采用差动结构，减小环境温度湿度的影响，提高灵敏度，减小非线性，减小寄生电容的影响。 （2）消除和减小边缘效应 减小极距 电极做得薄 等位环 （3）减小和消除寄生电容的影响 增加传感器原始电容值:采用减小极板或极筒间的间距，增大工作面积来增大原始电容量。使与其并联的寄生电容的影响可忽略。 接地和屏蔽:将传感器动极板与屏蔽
13、壳同地，动极板与屏蔽壳间的电容为常量。 集成化:将传感器与测量电路做在一个壳体内。,采用驱动电缆技术 电容传感器与测量电路必须用电缆连接时采用。 在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，接入1：1放大器，输入接芯线，输出接内屏蔽线，使内屏蔽与芯线等电位，消除了显线对内屏蔽线的容性漏电，克服了寄生电容的影响。,采用运算放大器法 整体屏蔽：将传感器、电源、转换电路、电缆用一个屏蔽壳屏蔽起来，桥路两固定阻抗间为接地点，减小外部干扰，消除电缆寄生电容的影响。 （4）防止和减小外界干扰 （5）尽量采用差动式电容传感器,4.5 应用举例 1.电容式料位计,用于水泥、化工、罐装 等传感器静电容：
14、,检测电极为电容的一个极，罐子的外壳为电容的另一个极。第一项是静电容C0：,2电容式压力传感器,结构： （金属弹性膜片）动片；两个玻璃球面上镀有金属定片； 膜片左右两侧充满硅油。 工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时， 硅油能将压差传递到测量膜片，,当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2； 当有差压作用时，测量膜片产生形变： PH PL时，膜片向PL弯曲，C1C2； 将这种电容变化通过 电路转换为电压变化,工业生产流程自动控制中膜片式压力计是常用的一种，电容膜片压力传感器分两种： 计示压力计（表压） 以大气为基准测管道、箱内、罐中压力； 绝对压力计 以绝对真空为基准测量蒸
15、发罐、反应罐中的压力。,3电容板材在线测厚仪,电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。 带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。变压器式输出电桥。 或用运放电路 输出为：,差动式电容测厚传感器 （1）结构,传感器上下两个极板与金属板上下表面间构成电容传感器。,（2）原理 将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容, 振荡器的其它参数为固定值, C0为耦合和寄生电容, 振荡频率分别为,调频式差动电容式测厚传感器原理图,f1,f2送计数器8253的计数口，单片机定时1秒取8253计数器中的计数值。
16、即为f1,f2。 由公式计算得dx1，dx2。,4电容测位移,5.力平衡式加速度传感器,力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩,然后用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。目前主要应用于超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。,在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度传感器，分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控制信号。 因为加速度是物体唯一不依赖外部参照物的运动参量。,力平衡式加速度传感器 结构：M惯性元件、放大器、C1、C2位移传感器、磁力矩器、电容动片固定在质量快上。,力矩器的反馈力,惯性力,-力矩器机电偶合系数,工作原理：壳体加速度,当反馈力F= Fx（惯性力）时 位移Y=0。,本章要点：,电容传感器工作原理和类型 电容传感器输
