第五章电容传感器

教师授课方案 （首页） 授课班级 09D电气1、电气2 授课日期 课节 2 课堂类型 讲授 课题 第五章 电容传感器 第一节电容式传感器的工作原理及结构 第二节电容式传感器的测量转换电路 第三节电容式传感器的应用 第四节压力与流量的测量

教学目的

与要求 【知识目标】

1、 电容传感器的类型及工作原理掌握差动电容传感器的工作原理。2、 了解电容传感器的灵敏度及输出特性3、电容传感器的测量转换电路掌握调频式测量转换电路4、电容传感器的应用掌握物料计的工作。 【能力目标 】培养学生工程理论分析及工程计算、理论联系实际的能力。【职业目标 】培养学生爱岗敬业的情感目标。

重点难点 重点：1、差动电容传感器、调频式测量转换电路 难点：流量的测量

教具教学

辅助活动

教具：多媒体课件、习题册

教学辅助活动：提问、学生讨论

一节教学过程安排

复习 1、 简述电涡流传感器的原理2、简述调频式、调幅式测量转换电路的转换原理3、简述电涡流传感器的应用4、电涡流接近开关的应用 分钟 讲课 1、电容传感器的类型及工作原理掌握差动电 容传感器的工作原理。 2、电容传感器的灵敏度及输出特性 3、电容传感器的测量转换电路掌握调频式测 量转换电路 4、电容传感器的应用掌握物料计的工作。 78分钟 小结 小结见教案内页 利用10分钟时间与学生互动答疑 10分钟 作业 习题册第五章电容传感器习题 2分钟 任课教师：叶睿 2011年1月25日 审查教师签字： 年 月 日 教案附页 【复习提问】 上节课知识点： 1、简述电涡流传感器的原理 2、简述调频式、调幅式测量转换电路的转换原理 3、简述电涡流传感器的应用 4、电涡流接近开关的应用 第五章 电容式传感器 第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式 【本节内容设计】 通过课件与教师讲授电容式传感器的三种形式以及特性 【授课内容】 电容式传感器的原理 平板电容器的电容量为 0rxAACdd 式中 A——两极板相互遮盖的有效面积； d——两极板间的距离，也称为极距； ε ——两极板间介质的介电常数； εr——两极板间介质的相对介电常数； ε0——真空的介电常数，ε0=8.8510-12 (F/m)。 在A、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，电容量C是A、d、ε的函数，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变面积式、变极距式、变介电常数式。 一、变面积式 动极板1可以左右移动，称为动极板；极板2固定不动称为定极板。变面积式电容传感器的输出特性是线性的，多用于检测直线角位 移、尺寸等参量。 1、平板电容

CbKX

 结论： 增大极板长度，减小极板距离都可提高灵敏度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。

)1()ln()(2hxCrRxhCx )ln(2rRdxdCxK

结论： 内外圆筒的半径差越小，灵敏度越高。 实际使用时，外圆筒必须接地，这样可以屏蔽外界干扰，并且能减小周围人体及金属体对内圆筒的分布电容，减小误差。 )1()1(CdAC dAddCK

结论： 增加动极板和定极板的对数，灵敏度越高。 实际使用时，动极板接地，必须做一个接地的金属屏蔽盒，将定极板屏蔽。二、变极距式 变极距式电容传感器结构如图。图中1为定极板，2为动极板。当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。

CxxCCxCxxCxSCx

)1(

CCCx 2)(xSdxdCxK







可以得到3个以上的结论： 1、初始极距小，灵敏度高。 2、非线性（缺点）； 3、行程较小（两块极板短路）。 变极距式电容传感器 a）结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1－定极板 2－动极板 3－弹性膜片

采用差动形式： 1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。 2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消

图5-4 差动电容传感器结构示意图 a）差动变极距式 b）差动变面积式 1－动极板 2－定极板 三、变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。利用这种原理制成的传感器叫做变介电常数式传感器。例如： 1、当某种介质处于两极板间时，介质厚度δ 越厚，电容量也就越 大。 2、当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（ εr水>>1）时，电容量将变大。 3、当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度变化，因而导致总的电容量变大。 变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，颗粒状物体的含水量以及测量液体的液位等。 表5-1 几种介质的相对介电常数 介质名称 相对介电常数ε 介质名称 相对介电常数εr 真空 1 玻璃釉 3~5 空气 略大于1 SiO2 38 其他气体 1~1.2① 云母 5~8 变压器油 2~4 干的纸 2~4 硅油 2~3.5 干的谷物 3~5 聚丙烯 2~2.2 环氧树脂 3~10 聚苯乙烯 2.4~2.6 高频陶瓷 10~160

聚四氟乙烯 2.0 低频陶瓷、压电陶瓷 1000~10000 聚偏二氟乙烯 3~5 纯净的水 80

第二节 电容式传感器的测量转换电路 【本节内容设计】 通过课件与教师简介电容传感器的测量转换电路，掌握调频电路。 【授课内容】 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、频率的变化。 一、桥式电路 桥式电路是电容传感器转换电路中最常见的电路之一。 Cx为电容传感器，当交流电桥平衡时，其平衡条件为： 0oU

当Cx变化时，0oU，即桥路有输出电压，上述指单臂桥接法。 差动接法时，若Cx1=Cx2，因两电容上叠加的交流电压值相等但相位相反，则0oU。若CX1≠CX2，因两电容上叠加的交流电压值不等相

位相反，则0oU，即桥路有输出电压。

2202121UiCCUCCCCoUixxxx 相位由相敏检波电路分辨 二、调频式测量转换电路 调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡 器的振荡频率发生变化。其中L为固定电感，电容C包含谐振回路中的微调电容C1，传感器电缆分布电容Cc以及变化电容Cx

第三节 电容传感器的应用

一、电容测厚仪： 测量过程： 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Cx=C1+C2作为桥臂。 利C1、C2两个极板当带材上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；而带材的厚度变化使电容Cx变化。 二、硅微加工加速度传感器当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g 以上。三、湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。 四、电容式油、液位计测量过程、 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。 液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而

321CCxCC 是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。 电容式油量表 1、当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx =Cx 0，调节匹配电容使C0=Cx 0，R4=R3；并使调零电位器RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻值为0。此时，电桥满足Cx /C0=R4 /R3的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ =0。 2、当油箱中注满油时，液位上升至h处，Cx=Cx0+Cx，而Cx与h成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂移动，从而使RP阻值增大，Rc d =R3+RP也随之增大。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θ处。

1－油箱 2－圆柱形电容器 3－伺服电动机 4－减速箱 5－油量表 3、由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与θ 间存在着确定的对应关系，即θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又正比于液位高度h，因此可直接从刻度盘上读得液位高度h。 4、当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动，使RP阻值减小。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角θ处。 5、从以上分析得到涉及“闭环控制”的结论：放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。