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1、2.72.7 电容式传感器电容式传感器本节的主要内容有:1.电容式传感器的结构原理;2.电容式传感器的主要测量电路;3.电容式传感器的结构类型;4.电容式传感器的典型应用;通过学习要求掌握电容式传感器的正确选用方法 。2.72.7 电容式传感器电容式传感器 一、变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化二、特点二、特点1 1、优点、优点：结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适 应性强、抗过载能力大及价格低廉。应性强、抗过载能力大及价格低廉。2 2、缺点、缺点：电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也 给它的应用带来一定的局
2、限给它的应用带来一定的局限三、应用三、应用：测量压力、力、位移、振动、液位等参数测量压力、力、位移、振动、液位等参数 。四、四、 电容式传感器的原理和结构电容式传感器的原理和结构电容式传感器的基本工作原理如图所示，从中电容式传感器的基本工作原理如图所示，从中可看出，可看出， ，A A，d d三个三个 参数都直接影响着电容量参数都直接影响着电容量C C的大小。所以电容式传感器可以分为三种类的大小。所以电容式传感器可以分为三种类 型：型：1 1、改变极板面积的变面积式；、改变极板面积的变面积式；2 2、改变极板距离的变间隙式；、改变极板距离的变间隙式；3 3、改变介电常数的变介电常数式。、改变介电
3、常数的变介电常数式。+A、A或发生变化时， 都会引起电容的变化。1 1、 变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器 （改变极间距离）（改变极间距离）下图为变间隙式电容传感器的原理图。当活动极板因下图为变间隙式电容传感器的原理图。当活动极板因 被测参数的改变而引起移动时，两极板之间的电容量被测参数的改变而引起移动时，两极板之间的电容量C C就就 改变了改变了。设极板面积为设极板面积为A A，其静态电容量为其静态电容量为 ，当活动极板移动，当活动极板移动x x后，其电容量为后，其电容量为 2 2、 变面积式电容传感器变面积式电容传感器（1 1）直线位移型）直线位移型当动极板移动当动极板移动x x后，覆
4、盖面积后，覆盖面积 就发生变化，电容量也随之改就发生变化，电容量也随之改 变，其值为变，其值为其灵敏度为其灵敏度为变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。下图是角位移型电容式传感器。下图是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化， 从而导致电容量的变化，此时电容值为从而导致电容量的变化，此时电容值为角位移型+（2 2）角位移型型（3）圆柱型电容传感器下图是圆柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发下图是圆柱型，当动极板有一线位移时，两极
5、板间覆盖面积就发 生变化，从而导致电容量的变化生变化，从而导致电容量的变化例：电容式传声器例：电容式传声器4 4、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质 来提高绝缘性，来提高绝缘性，1 1、电容量电容量C C与与x x不是线性关系，只有当不是线性关系，只有当 x xd d时，才时，才 可认为是最近似线形关系。可认为是最近似线形关系。2 2、要提高灵敏度，应减小起始间隙要提高灵敏度，应减小起始间隙d d过小。过小。3 3、当、当d d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也 高了。高了。5 5、在
6、实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可 采用差动式结构。采用差动式结构。 讨论：讨论：当当x xd d时时 则则3 3、变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 1 1）当电介质改变时，电容量也会变化，可用下式表示。上图当电介质改变时，电容量也会变化，可用下式表示。上图 为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位 或液位，也可测量位移。或液位，也可测量位移。振荡电路感应电极被测物体2）应用举例1：电容式接近开关测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身 ，当物体移向接近开
7、关时，物体和接近开关的介电常数 发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变 化.由此便可控制开关的接通和关断;接近开关的检测物 体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物 体。2:2:电容式转速传感器的结电容式转速传感器的结 构原理构原理五、五、 常用测量电路常用测量电路 1 1、 双双T T电桥电路电桥电路 1 1）测量电路）测量电路电路原理如图所示。图中电路原理如图所示。图中C1C1、C2C2为差动电容式为差动电容式 传感器的电容，传感器的电容，R RL L为负载电阻，为负载电阻，V1V1、V2V2为理为理 想二极管，想二极管，R1R1、R2R2为固定电阻。为固定电阻。2 2）
8、原理分析见下图）原理分析见下图图3.2.1 双T电桥电路C1C2R2R1RLuV2V2V1V1常用电路有常用电路有: :双双T T电桥电路电桥电路、运算放大器测量电运算放大器测量电 路路、脉冲调制电路脉冲调制电路、调频电路调频电路。当当V V1 1导通、导通、V V2 2截止时截止时C C1 1充电；反之充电；反之V V1 1截止、截止、V V2 2导通时导通时C C2 2充电，由图中可以看出，一路通过充电，由图中可以看出，一路通过R R1 1、R RL L，另一路通过另一路通过R R1 1、R R2 2、V V2 2，这时流过这时流过R RL L的电的电 流为流为i i1 1。 若若C C1
9、 1或或C C2 2变化时，在负载变化时，在负载R RL L上产生的平上产生的平 均电流将不为零，因而有信号输出。均电流将不为零，因而有信号输出。I.I. 有一个公共接地点。有一个公共接地点。 II.II. V V1 1和和V V2 2工作在伏安特性的线性段。工作在伏安特性的线性段。 III.III. 输出电压较高。输出电压较高。 IV.IV. 灵敏度与电源频率有关。灵敏度与电源频率有关。V. V. 可以用作动态测量。可以用作动态测量。3 3）双）双T T电桥电路的特点：电桥电路的特点：2 2、 调频电路调频电路测量电路见下图。当电容变化时导致振荡频率变测量电路见下图。当电容变化时导致振荡频率
10、变 化，再通过监频电路将其转换为振幅的变化，经放化，再通过监频电路将其转换为振幅的变化，经放 大后即可显示，这种方法称为调频法。大后即可显示，这种方法称为调频法。 振荡频率为振荡频率为3 3、 运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路 电路的原理如上图所示。其输出电压电路的原理如上图所示。其输出电压以以 代入上式，则有代入上式，则有输出电压输出电压u u0 0与动极片位移与动极片位移d d成线性关系。成线性关系。 4 4、 脉冲调制电路脉冲调制电路这种电路根据差动电容这种电路根据差动电容C C1 1和和C C2 2的大小控的大小控 制直流电压的通断，所得方波与制直流电压的通断，所得方波与C C
11、1 1和和C C2 2有确有确 定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触 发器的两个输出端。发器的两个输出端。当当C C1 1= =C C2 2时，两个电容充电时间常数相等时，两个电容充电时间常数相等 ，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值 为零。反之不为零，且为零。反之不为零，且T T1 1正比于正比于C C1 1，而而T T2 2正比正比 于于C C2 2，输出电压为输出电压为可见，输出电压与电容变化成线性关系。可见，输出电压与电容变化成线性关系。3.3 3.3 电容式传感器的应用电容式传感器的应用3.3.1 3.3
12、.1 在物位测控中的应用在物位测控中的应用 3.3.1.1 3.3.1.1 LP-5000LP-5000系列电容物位变送器系列电容物位变送器可用于高压、真空、高温、低温、密封罐可用于高压、真空、高温、低温、密封罐 内的酸、碱、盐等强腐蚀液体、强震动等的液内的酸、碱、盐等强腐蚀液体、强震动等的液 位、料位测量，却是许多种类的物、液位计望位、料位测量，却是许多种类的物、液位计望 尘莫及的。尘莫及的。 3.3.1.2 3.3.1.2 CTS-DFDCTS-DFD电容式物位限位开关电容式物位限位开关这是一种具有高这是一种具有高- -高、高、低、低高、高、低、低- -低四点低四点 报警开关量输出的射频电
13、容式物位开关，可用报警开关量输出的射频电容式物位开关，可用 于各种物料作物位高度的粗略显示，或同时作于各种物料作物位高度的粗略显示，或同时作 物位高度的控制和报警使用。物位高度的控制和报警使用。3.3.2 3.3.2 在压力测量中的应用在压力测量中的应用3.3.2.13.3.2.1 CCPS32CCPS32陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器CCPS32 CCPS32干式陶瓷电容厚膜压力传感器的高干式陶瓷电容厚膜压力传感器的高 输出，广量程，特别适合制造高性能的工业控制输出，广量程，特别适合制造高性能的工业控制 用压力变送器。大圆形膜片表面平整、易安装，用压力变送器。大圆形膜片表面平整、易安装
14、， 是欧美是欧美E+HE+H、ABBABB、SIEMENSSIEMENS、H&H&、VEGAVEGA 等公司压力变送器生产首选传感器。等公司压力变送器生产首选传感器。3.3.2.2 3.3.2.2 FB0802FB0802陶瓷电容型压力变送器陶瓷电容型压力变送器FB0802 FB0802陶瓷电容压力变送器采用具有国际先陶瓷电容压力变送器采用具有国际先 进水平的陶瓷电容传感器，配合高精度电子元件进水平的陶瓷电容传感器，配合高精度电子元件 ，经严格的工艺过程装配而成。抗过载和抗冲击，经严格的工艺过程装配而成。抗过载和抗冲击 能力强，稳定性高，并有很高的测量精度。能力强，稳定性高，并有很高的测量精度
15、。3.3.2.3 1151 3.3.2.3 1151系列电容式变送器系列电容式变送器1151 1151系列电容式变送器是引进美国罗斯蒙特公司技术制系列电容式变送器是引进美国罗斯蒙特公司技术制 造的产品造的产品, ,具有设计原理新颖、品种规格齐全、安装使用简便具有设计原理新颖、品种规格齐全、安装使用简便 、本质安全防爆等特点。其外形结构如图所示。、本质安全防爆等特点。其外形结构如图所示。1 1）工作原理）工作原理被测介质的两种压力通入高、低两被测介质的两种压力通入高、低两 压力室，作用在压力室，作用在 元件元件( (即敏感元件即敏感元件) )的两的两 侧隔离膜片上，通过隔离膜片和侧隔离膜片上，通过隔离膜片和 元元 件件 内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧 。当两侧压力不一致时，致使测量膜片。当两侧压力不一致时，致使测量膜片 产生位移，其位移量和压力差成正比，产生位移，其位移量和压力差成正比， 故两侧电容就不等，通过检测，放大转
