传感器技术课件——电容式传感器

当运放的输入阻抗很高，增益很大时，认为输入电流 I，0则
4.4 电容式传感器
采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转 换为电容量的变化。
被测信息
敏感元电件容元电转件容换元件
信号调理电路 输出信息
实际上是一个 具有可变参数 的电容器
辅助电源
电容式传感器广泛用于位 移、角度、振动、速度、 物位、压力、成份分析、 介质特性等方面的测量。
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学习要点
1.掌握电容式传感器的类型（根据工作原理）、特 点及其应用； 2.了解电容式传感器的测量电路； 3.了解电容式传感器的特点； 4.了解电容式传感器的应用
0
C1
相串联
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C C0C1
0 1
C0 C1
CC C 00 C C 110 0 00A A 00 1 11 1A A1 1 0A 0 1 1 0A 1
此时
为空气相对介电常数，
0
1 为待测体的相对介电常数，
当厚度 1 不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪。
如果待测体的介电常数 1 不变时，可作测厚仪使用。
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2. 电容式传感器的测量电路
电容式传感器的电容值一般十分微小，不便于直接显示、记录和传输。因此， 必须借助于测量电路检测出这个微小的电容变量，并转换为电压、电流或频 率信号。
与电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有桥式电路、调 频振荡电路、运算放大器式电路和脉冲调宽型电路等几种。
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（一） 交流电桥
和（相并联）。
C 12 ln (D 0/2d h2 )2ln 0(D 2(h /d )h1)
C2
2 01h1
ln(D / d )
CC1
C2
202(hh1)
ln(D/d)
201h1
ln(D/d)
CAK1h
202
ln(D/d)
h20(1 2)
ln(D/d)
h1可见，同轴圆筒电容传感器的电容量
A
K
与液位成线性关系。
0
0
0
电容的总变化量为：
C C 1 C 2 C 0 [2 2 ()3 L]
0
0
变极距型差动电容传感器
灵敏度为：
S C 2 C0
0
C 2
C0
0
可见，采用差动式电容传感器，灵敏度提高一倍，非线性得到改善。
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（2） 面积变化型
C 0 A
8
A ) 角位移式电容传感器
当两极板相对角位移为 时，
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B ) 电容液面计 这类传感器常常采用同轴圆筒电极组成的电容器作为测量装置。 两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：
C 2 0 h
ln(D d )
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设容器中介质是不导电液体（如果是导电液 体，则电极需绝缘）
C1 C2
C
CC1C2
总的电容 C相当于上方气体介质间的电容量 C 1 和液体介质间电容量C 2 之
+
+
+
+
因此电容器传感器的灵敏度为：
+
+
S
C
02A
灵敏度与极距的平方值成反比， 极距越小时灵敏ห้องสมุดไป่ตู้越高。
为减小非线性误差，该类传感器 通常用于测量微小位移。
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S C 0A 2
为减小非线性误差，通常规定在较小的间隙变化范围 内工作以便获得近似的线性关系。一般取极距变化范
围为 0.1
减小δ可以提高灵敏度。但δ过小易导致电容器击穿。 可在极间加一层云母片或塑料膜来改善电容器耐压性 能。
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（3） 介质变化型
C 0 A
当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容
量发生变化。
这类传感器常用做检测容器中片状材料的厚度、液面高度等，也可用来 测量介质材料的湿度、介电常数等。
A ) 电容测厚仪
C0 C1
C
C C0C1 C0 C1
这种传感器的电容量等于两个电容
C
和
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（二） 调频振荡电路
这种电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而 使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化。由于振荡器的 频率受电容传感器的电容调制故称为调频电路。 这种电路具有抗干扰性强，灵敏度高等优点； 但缺点是电缆电容的影响较大。
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（三） 运算放大器电路 I 0
A r2
2
C
0 r 2 2
可见，电容值与角位移 呈线性关系。
此时，传感器的灵敏度k为： kddC 02r2 常 数
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B ) 直线位移式电容传感器
当两极板相对距离为x时，电容量：
Cx
0 bx
传感器的灵敏度为：
kdCx dx
0 b常 数
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C ) 圆柱体线位移式电容传感器
随动板圆柱的位移，定板圆柱与动板圆柱之间的覆盖面积发生变化，从而 电容量发生变化。
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为提高灵敏度和减小非线性，以及克服某些外界条件（如 电源电压、环境温度等），常采用差动式结构。 在零点位置上设置一个可动的接地中心电极，它离两块极板 的距离均为
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设可动极板上移 ，则 C 1 增大，C 2 减小。
C 1C011 0 C0[1 0( 0)2( 0)3L]
C 2C 0[1()2()3 L]
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1. 工作原理及类型
用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时其电
容C为：
A
C 0 A
δ
ε
δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。
电容式传感器
变极距型
变面积型
变介质型
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（1） 极距变化型
C 0 A
变极距型传感器常常是一块极板固定而使另一块极板移动，
从而改变极距以引起电容的变化。 C02A
)
Z
2
Z 1
)2
E
U&S C
Z Z1
对于电容传感元件来说，有如下关系：
Z
2
Z ＝C d
Z1
C1
d1
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Cr1 U
Cr2 USC
变压器式交流电桥
变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多 采用。
差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗 极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输 入位移均成线性关系。
电容传感器阻抗
Z1
U SC
Z2
交流 放大器
Z3 E
Z4
相敏 检波器
低通 滤波器
Ui
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电桥初始平衡条件：
Z1Z4Z2Z3 USC 0 当被测参数引起传感器阻抗变化 时Z，
U SC (Z 1Z 1 Z ZZ2Z3Z 3Z4)E
代入初始平衡条件，化简：
USC
( Z Z
1
(1
)(
Z 1
两个同轴圆筒电极组成的电容器，其电容值为：
C 2 0 x
x
ln(D d )
当覆盖长度变化时，
kC 20 常数
x ln(Dd)
通过A）B）C）的分析可得出结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常数， 即具有良好的线性，但灵敏度较变极距型低。大多数用来检测较大直线 位移及角位移等参数。
变面积式电容传感器也采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。