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1、4.1 工作原理及类型工作原理及类型 电容式传感器将被测量的变化转换成电容式传感器将被测量的变化转换成电容电容的变化。的变化。2.2.类型类型 变极距型变极距型( (变间隙型）变间隙型）变面积型变面积型变介电常数型变介电常数型电极板形状有平板形、圆筒形和球面形三电极板形状有平板形、圆筒形和球面形三种。种。第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器1.1.工作原理工作原理 两个平行金属极板组成的电容器，不考虑两个平行金属极板组成的电容器，不考虑边缘效应边缘效应，其电容为其电容为 C=C= S S/d /d 两个极板间介质的介电常数；两个极板间介质的介电常数； S S 两个极板相对有效面积；两个极板
2、相对有效面积； d d 两个极板间的距离两个极板间的距离+dS 1变极距型电容传感器变极距型电容传感器2变面积型电容传感器变面积型电容传感器3变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器44.2 电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的灵敏度及非线性变极距型的平板电容传感器的灵敏度变极距型的平板电容传感器的灵敏度变面积型变面积型变介电常数型变介电常数型当极板间距有一个增量当极板间距有一个增量d 时，则传感器电容为：时，则传感器电容为：假设极板间只有一种介质，其初始电容值为：假设极板间只有一种介质，其初始电容值为：5灵敏度灵敏度k为：为： 为在较大的范围内使用变极距型传感器，可为在较大的范围内使用
3、变极距型传感器，可适当地增大初始适当地增大初始极板间距极板间距 d0 ，以保证，以保证 d/d0不致过大，但会带来不致过大，但会带来灵敏度下降灵敏度下降的缺点，同时使电容传感器的的缺点，同时使电容传感器的初始电容值减小初始电容值减小，寄生电容的，寄生电容的干扰作用将增加。干扰作用将增加。 当当 d/d0 很小时才近似为线性关系很小时才近似为线性关系测量范围不应太大测量范围不应太大。6常采用常采用差动式电容传感器差动式电容传感器，灵敏度提高一倍，非线性大，灵敏度提高一倍，非线性大为减小。为减小。变面积型和变介电常数型电容传感器具有很好的线性。变面积型和变介电常数型电容传感器具有很好的线性。但该结
4、论都是忽略了但该结论都是忽略了边缘效应边缘效应得到的。实际上由于边缘得到的。实际上由于边缘效应，仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距效应，仍存在非线性问题，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。型好得多。74.3 电容式传感器的特点及等效电路电容式传感器的特点及等效电路4.3.1 电容式传感器的特点电容式传感器的特点 优点：优点：温度稳定性好温度稳定性好结构简单、适应性强结构简单、适应性强动态响应好动态响应好可以实现非接触测量，具有平均效应可以实现非接触测量，具有平均效应 缺点：缺点：输出阻抗高，负载能力差输出阻抗高，负载能力差寄生电容影响大寄生电容影响大输出特性非线性输出特性非线性84.3
5、.2 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路94.4 电容式传感器的设计要点电容式传感器的设计要点4.4.1 保证绝缘材料的绝缘性能保证绝缘材料的绝缘性能必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度、湿度等必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度、湿度等误差，保证绝缘材料具有高的绝缘性能。误差，保证绝缘材料具有高的绝缘性能。104.4.2 消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应 等位环等位环3和电极和电极2等电位等电位，使得电，使得电极极2的边缘电力线的边缘电力线平直，极间电场平直，极间电场基本均匀，发散基本均匀，发散的边缘电场发生的边缘电场发生在等位环在等位环3的外周。的外周。边缘效应边
6、缘效应使电容式传感器的使电容式传感器的灵敏度降低灵敏度降低，产生非线性产生非线性。适当适当减小极间距减小极间距易产生击穿，限制测量范围易产生击穿，限制测量范围结构上增设结构上增设等位环等位环114.4.3 消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容关联，影响传感器的寄生电容与传感器电容关联，影响传感器的灵敏度灵敏度，而它的变化则为而它的变化则为虚假信号虚假信号，影响仪器的，影响仪器的精度精度。 12增加初始电容值增加初始电容值 减小极间距，增加有效面积或长度减小极间距，增加有效面积或长度 消除和减小寄生电容的方法消除和减小寄生电容的方法接地屏蔽圆筒形电容传感器接地屏
7、蔽圆筒形电容传感器注意传感器的接地和屏蔽注意传感器的接地和屏蔽13将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内，将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内， 省去传感器省去传感器至前置级的电缆。至前置级的电缆。“驱动电缆驱动电缆”技术电路技术电路采用采用“驱动电缆驱动电缆”技术（技术（“双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输”技术）技术）“驱动电缆驱动电缆”。14使用运算放大器法使用运算放大器法运算放大器法电路运算放大器法电路15整体屏蔽法整体屏蔽法16174.4.4 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰屏蔽和接地。屏蔽和接地。增加初始电容值，降低容抗。增加初始电容值，降低容抗。导线和导线要离得远，以减小
8、导线间分布电容的静电导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线尽可能短，最好成直角排列，必须平行排感应。导线尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。列时可采用同轴屏蔽线。尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。体或宽印制线。尽量采用差动式电容传感电路，减小非线性误差，提尽量采用差动式电容传感电路，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。 184.5 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路 电容式传感器把被测量转换成电容电容式传感器
9、把被测量转换成电容C0，需要将，需要将C0 进进一步转换成一步转换成电压、电流、频率电压、电流、频率等电量参数，便于信等电量参数，便于信号的传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，号的传输、放大、运算、处理、指示、记录、控制，并得到所需的测量结果或控制某些设备工作。并得到所需的测量结果或控制某些设备工作。 调制型调制型转换电路（调频、调幅）转换电路（调频、调幅） 脉冲型脉冲型转换电路转换电路 /电容充放电器（双电容充放电器（双T型、脉冲调宽型）型、脉冲调宽型）194.5.1 调制型转换电路调制型转换电路调频电路调频电路20调幅电路调幅电路 1交流激励法交流激励法图图4-11 交流激励法基本原
10、理图交流激励法基本原理图21图图4-12 谐振曲线图谐振曲线图222. 交流电桥法交流电桥法 CxC0C0C023244.5.2 脉冲型电路脉冲型电路 脉冲型转换电路的基本原理是利用脉冲型转换电路的基本原理是利用电容的充放电电容的充放电特性。特性。图图4-14 双双T形充放电网络形充放电网络双双T形充放电网络形充放电网络 25图图4-15 双双T形充放电网络等效电路形充放电网络等效电路2627脉冲调宽型电路脉冲调宽型电路图图4-16 脉冲调宽型电路原理图脉冲调宽型电路原理图282图图4-17 各点电压波形图各点电压波形图294.6 电容式传感器应用举例电容式传感器应用举例 电电容容传传感感器器
11、可可用用来来测测量量直直线线位位移移、角角位位移移，振振动动振振幅幅（可可测测至至0.05m的的微微小小振振幅幅），尤尤其其适适合合测测量量高高频频振振动动振振幅幅、精精密密轴轴系系回回转转精精度度、加加速速度度等等机机械械量量，还还可可用用来来测测量量压压力力、差差压压力力、液液位位、料料位位、粮粮食食中中的的水水分分含含量量、非非金金属属材材料料的的涂涂层层、油油膜膜厚厚度度、电电介介质质的的湿湿度度、密密度度、厚度等。厚度等。 当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型单电极式变极距型电容传感器，这时电容传感器，这时被被测物是电容器的一测物是电容器的一个电极个电极，另一个电极则在传感器内。，另一个电极则在传感器内。30图图4-19 差动式电容压力传感器差动式电容压力传感器P1P231图图4-21 电容式加速度传感器电容式加速度传感器32图图4-22 电容式料位传感器电容式料位传感器33图图4-23 电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器34图图4-24 电容式振动位移传感器应用电容式振动位移传感器应用35 电容式测厚电容式测厚轧辊轧辊工作极板工作极板被测带材被测带材36 转速测量转速测量12341 齿轮2 定极3 电容传感器 4 频率计37
