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1、3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器本章内容： 1.电容式传感器的基本概念 2.电容式传感器的划分及其对应的工作原理 3.电容式传感器的优缺点及特殊问题 4.电容式传感器的应用要求： 掌握电容式传感器的分类及特点 掌握各种电容式传感器的工作原理 理解具体的测量原理及测量电路的应用 了解应用范围第三章 电容式传感器3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器3.1电容式传感器一、定义将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置。二、特点结构简单，动态响应快，易非接触测量。易受干扰和分布电容的影响。三、应用测荷重、压力、液位、水量、振动、厚度等参数。百分之几微分数量级的微米移值。3
2、 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器四、电容器结构形式平板电容器（尺寸相同的平行金属板）球形电容器（同心导体球面）柱形电容器（同轴导体圆柱面）3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器3.2电容式传感器的工作原理平板电容器，板间为均匀电场。板间间隙的变化表面积的变化电容量变化Aerd3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器可得电容量的表达式：0dA ree = dA Ce =C-电容（微微法）；e-板间介质的介电常数（空气为1）；A-极板间相互覆盖面积（cm2）；d-极板间距（cm）； er-介质的相对介电常数； e0-真空介电常数（ =8.854210-12F/
3、cm）。Aerd3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器可认为电容式传感器的基本工作原理：将三个参数中任意一个的变化转换成电容量的变化。dA Ce =3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器一、分类根据工作原理划分三组：1）变极距型-改变极板间距d；2）变面积型-改变极板间相互覆盖面积A；3）变介电常数型-改变极板间的介质。3.3电容式传感器的类型3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器二、各种类型的特性1、变极距型运动类型单片单组单片差接组多片单组变型及特殊型线性 位移旋转 位移滚进式可压缩介质dACe =3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器3）测
4、量范围01mm ； 01mm 。 1）原理图常见： d d差动式：2）关系曲线 C1C2+D ddC，dx，3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器2、变面积型运动类型形状单片单组单片差接 组多片单组变型及特殊 型线性 位移板 状圆 筒罕见旋转 位移板 状* * 圆 筒dACe =锯齿形3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器1）原理图常见：差动式：2）关系曲线AC，d，C1C2+D d3）测量范围1mm ； 1mm 。 3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器3、变介质型 dACe =运动类型形状单片单组单片差接组多片单组变型及特 殊型 线 性 位 移板 状圆
5、筒 状D L3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器1）原理图dHh2）关系曲线hC3）测量范围介质在极板间可移动的距离。)(HdbCe0e+-=h0e关系式：3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器3.4 灵敏度和非线性变极板面积型和变介电常数型电容式传感器，忽略其边缘效应有：a.输入量与输出电容量之间为线性关系；b.S为常数。这里主要讨论变极距型传感器的灵敏度和非线性。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器一、灵敏度 dACe =若极距减少d，电容量增大C 。 d/d01时，换算有：00ddCCDD灵敏度 S ：001/ ddCCS=DD=起始间隙 d0 越
6、小，则灵敏度 S 越大，但需预防电容器被击穿。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器2、非线性误差相对非线性误差：%1000D= ddd起始间隙 d0 越小，则非线性误差 d 越大。但起始间隙 d0 越小，灵敏度 S 越大，且非线性误差 d 也越大。解决这种问题，实际测量时可采用差动式结构。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器e0e0C1C23、差动式结构结构图：%1000D= ddd2计算有：02dS=，在实际中，为提高灵敏度，减少非线性误差，大多采用差动式结构。比较： 01 dS=，%1000D= ddd3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器4、提高灵
7、敏度的一些措施1）增加原始电容值；减小气隙间隔或增加工作面积、工作长度。2）提高电源频率；3）用双层屏蔽线将电路与电容传感器装在一个壳体中，减少寄生电容及外界干扰的影响。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器5、加云母片提高灵敏度已知电容的计算式 dACe =若d 减小，电容量增加，从而S 增加。注意： d 过小，会引起电容器击穿。可在极板间放置云母片来改善这个问题。加入云母片的结构：e1 e2d 0d3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器加入云母片后的电容计算式可为：21ee0ddAC +=-0d其中， e1为云母片的介电常数，e2为空气的介电常数， d0为气隙长度，
8、d为两极板间距离，A为极板间覆盖面积。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器云母的介电系数是空气的7倍。云母的击穿电压不少于103KV/mm，空气的击穿电压为3KV/mm。即使云母片厚度为0.01mm,其击穿电压也不小于10KV。加入云母片，电容传感器的初始间距可大大减小，提高其灵敏度，且使其输出特性的线性得到改善。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器例如：一圆盘形极板的电容传感器，极板直径D=50mm，极板间距d=0.2mm时，电容量C1=86.5pF。若中间置0.1mm的云母片，则线性度得到改善，且可使电容量增至C2=151pF。当气隙变化时，d=0.025mm，
9、有：230.3% CC=D2114.7% CC=D1，提高了传感器的灵敏度。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器一、优点1、动作能量低，动态相应快；适于动态测量。2、本身发热影响小，温度稳定性好；利于选择温度系数低的材料。3、灵敏度高、误差小；4、结构简单，适应性强；能在恶劣环境下工作。5、可非接触测量，具有平均效应。减小局部误差较大对整体测量精度的影响。3.5 电容式传感器的特点3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器 二、缺点1、输出特性非线性；对于变极距型 dACe =存在泄漏电容和不可避免的不一致性。泄漏电容-由支持构件及连接电缆所引起。2、泄漏电容的影响。传感
10、器的电容量及其变化小于泄漏电容量 ，会降低转换效率，引起误差。3、消除方法可将处理电路安装在靠近极板的地方。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器 三、某些量的变化范围变极距电容传感器：多用来测量微米 （m）级的位移。一般极间距不超过1mm；最大位移量限制在极板间距的1/10以内。变极板工作面积电容传感器：测量厘米（cm）数量级的位移。为减小绝缘电阻、提高灵敏度，电源频率一般采用50Hz以上的，但高频会使问题变得复杂。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器四、材料的选择不同材料具有不同的膨胀系数，进而影响到电容器极板的几何尺寸，从而影响电容式传感器的电容量。应考虑材料的
11、温度系数，选择合适材料制作的电容式传感器。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器3.6电容式传感器的测量电路电容量的变化不便于记录，需要进一步转换为电压、电流、频率等信号。常用的测量电路有调频电路、运算放大器电路、差动脉宽调制电路、双T型电桥电路等。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器一、调频电路如图：其中调频振荡器的振荡频率为 ：L振荡回路的电感； C振荡回路的总电容.LCf p21=3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器当被测信号为0时，C=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0, 其表示式为 当被测信号不为0时，C0， 振荡器频率有
12、相应变化， 此时频率为 LCCCf )(210210+= pff LCCCCfD= D+=0021)(21mp特点：灵敏度较高，数量级0.01um，抗干扰。输出可连接 数字仪器或计算机。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器二、运算放大器电路如图：其中，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。 根据原理有： dSCUUioe&-=3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器该式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。 运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度， 还要求电源
13、电压Ui的幅值和固定电容C值稳定。 特点：克服非线性。dSCUUioe&-=3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器三、双T型电桥电路电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输 入电源要求稳定。输出电压较高。可用来测量高速的机械运动。 四、差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器 ，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，调宽频率的变化对输出没有影 响。 3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器3.7电容式传感器的应用目前应用情况为：多利用改变 d 和 A ，对位移、压力、振动等检测。利用改变介电常数 e ，检测密闭容器的液位、不
14、导电松散物质的料位、非导电材料的厚度、非金属材料涂层等。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器一、测量电缆芯偏心 传感器极筒电缆皮电缆芯将x和y方向的偏移量分别测得，计算可得偏芯值。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器二、料位测量检测电路测定电极储罐dDhe0esdD nh C1-k =ese0）（介电常数差别越大，极径差别越小，灵敏度越高。3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器三、ADXL50电容式集成加速度传感器有结构示意图：静止时，C1=C2。位移变化时，检测电容量变化可测出加速度大小。固定点固定极片动极片弹性元件C2C13 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器ADXL50加速度传感器电路原理图：1MHzC1C2+3.4V-0.2V-+解调器-+UOUT3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器四、电容测厚仪电容测厚仪示意图：传动轮轧辊电容极板金属带材3 . 3 . 电电 容容 式式 传传 感感 器器电容式厚度传感器方框图：数字电压表对称检测电路双稳态振荡器弛张振荡器多谐振荡器弛张振荡器uiR1R2C2C1 E1E2W(-6V)U0Q
