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1、5.1 电容传感器工作原理和类型 5.2 电容传感器输出特性 5.3 电容传感器测量电路 5.4 电容式传感器的应用举例,主要内容：,概述,电容式传感器的特点是： 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 电容器小几十几百微法，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； 可进行非接触测量。 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。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。,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,概述,各种电容式传感器,概述,5.1 电容传感器工作原理和类型,电容式
2、传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容器 C 可以通过改变 S 面积，称变面积型传感器 距离，称变极距型传感器 介质，称变介质型传感器,变极距型传感器,5.1 电容传感器工作原理和类型,变面积型传感器,5.1 电容传感器工作原理和类型,变介质型传感器,5.1 电容传感器工作原理和类型,初始电容,当 减小 时 电容 C 增加,C0,C,C,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,忽略高次项,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,传感器灵敏度,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,讨论： 要提高传感器灵敏度 K 应减小初始
3、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：,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,电容的相对变化量,电容特征方程忽略高次项得：,电容的总的变化量,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,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）。,传感器（差动式）灵敏度,相对非线性误差为,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,5.2 电容传感器输出特性 2
4、 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,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。,平板变面积型电容传感器灵敏度,5.2 电容传感器输出特性 2 变面积型（S）,变介电常数式电容传感器分几种情况： 测介电常数 ； 测厚度d,5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（）,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：,d,动片,介电常数 保持不变，d改变，可作为测厚仪器。,d为运动介质的厚度，d保持不变，改变 可作为介电常数的测试仪器。,5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（）
5、,测液位高度 （根据液体容器的形状计算）,5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（）,5.3 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）; 传感器电容C0 ，A、B两端分布电容Cp，极板等效漏电阻Rg。,减小误差的方法： 1）减小温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能 2）消除和减小边缘效应 3）消除和减小寄生电容的影响,5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路,驱动电缆技术：提高电容传感器的稳定性， 克服寄生电容耦合， 原理是：
6、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。从而消除 引线与内屏蔽之间的电 容。,5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路,驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，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。,运算放大器驱动法,5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路,5.3 测量电路 2.电桥电路,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相匹配； 差动式传感器 是两个臂。,极板在中间位置时,输出与位移成理想线性关系,交流电桥的输出电压为：,5.3 测量电路 2.电桥电路,5.3 测量电路 3.
7、二极管双T型电路,VE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 均值电压：,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； 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,5.3 测量电路 4差动脉冲调宽电路,波形图,电路原理图,电路分析： 双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。,电路组成： A1、A2比较器； 双稳态触发器；VD1、VD2与电阻；组成充
8、放电回路；Uf参考直流电压；双稳态作输出； 电容C1、C2为传感器差动电容。,5.3 测量电路 4差动脉冲调宽电路,5.3 测量电路 5运算放大器式电路,Cx传感器电容, Co固定电容,输入端,输出端,设K为理想运放,对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：,5.3 测量电路 5运算放大器式电路,5.3 测量电路 5调频电路,谐 振 曲 线,5.4 电容式传感器的应用举例 1电容式压力传感器,结构： 测量膜片（金属弹性膜片） 动片； 两个玻璃球面上镀有金属 定片； 膜片两侧左右两定中充满硅油。 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,5.4 电
9、容式传感器的应用举例 2电容式压力传感器,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PL向弯曲，C1C2； 将这种电容变化通过电路转换为电压变化,5.4 电容式传感器的应用举例 3电容测厚仪,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。,5.4 电容式传感器的应用举例 4电容测位移,本章要点：,电容传感器工作原理和类型 电容传感器输出特性和测量电路 电容式传感器的应用,补充：触发器可分为RS触发器、J
10、K触发器、T触发器和D触发器，它们有一个输入端的，也有两个输入端的，一般来讲，一个输入端的通常采用D触发器，两个输入端的采用JK触发器。 D触发器 Qn+1=D JK触发器 Qn+1= 施密特触发器 它的特点是：输入信号从低电平上升的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同；在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变的很陡。,补充1,（2）主要静态参数 （a）上限阈值电压VT+vI上升过程中，输出电压vO由高电平VOH跳变到低电平VOL时，所对应的输入电压值。VT+=2/3VCC。 （b）下限阈值电压VT vI下降过程中，vO由低电平VOL跳变到高电平VOH时，所对应的输入
11、电压值。VT=1 /3VCC。 （3）回差电压VT VT= VT+VT=1 /3VCC,补充1,1. 用作接口电路将缓慢 变化的输入信号，转换成为 符合TTL系统要求的脉冲波形。,2. 用作整形电路把不规则的输入信号整形成为矩形脉冲。,补充1,补充1,补充2 鉴频器,鉴频器的种类很多，有振幅鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等。它们的作用都是从已调波中检出反映在频率或相位变化上的调制信号。但是采用的方法不尽相同。限幅与鉴频一般是连用的，统称为限幅鉴频器。,什么是相敏检波电路? 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。,相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性
12、。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/ n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。,相敏检波电路的选频与鉴相特性选频,补充2,相敏检波电路的鉴相特性 什么是相敏检波电路的鉴相特性？ 如果输入信号us为与参考信号uc(或Uc)同频信号，但有一定相位差，这时输出电压uo=Usm/2cos，即输出信号随相位差的余弦而变化。 由于在输入信号与参考信号同频但有一定相位差时，输出信号的大小与相位差有确定的函数关系，可以根据输出信号的大小确定相位差的值，相敏检波电路的这一特性称为鉴相特性。,
