电容式传感器 课件

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调频电路
把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络中，被测量的
变化引起传感器电容的变化，大器放大后输出。
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调频电路的特点
测量电路的灵敏度很高，可测0.01m的位移变化量，
抗干扰能力强（加入混频器后更强），缺点是电缆电 容、温度变化的影响很大，输出电压U0与被测量之间 的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂 。
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特点
能获得线性输出；双稳态输出信号一般为100kHz ～1MHz的矩形波，所以直流输出只需经滤波器简 单引出，不需要解调器，即能获得直流输出。电 路采用稳定度较高的直流电源，这比其他测量线 路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电源易于 做到。如果将双稳态触发器Q端的电压信号送到计 算机的定时、计数引脚，则可以用软件来测出占 空比q，从而计算出ΔC的数值。这种直接采用数字 处理的方法不受电源电压波动的影响
2 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等 保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生 改变。 变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定 不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为 动极板。
面积变化型电容传感器原理
当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为
当L=0时，传感器的初始电容 C0
0 r1 L0 b0
d0

0 L0 b0
d0
当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为：
C C0 ( 1) L C r2 C0 C0 L0
电容变化量与电介质移动量L呈线性关系
结论
介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，
二、电容式传感器的分类及工作原理
分类：按工作方式分类
1.变极距型电容传感器
2.变面积型电容传感器 3.变介电常数型电容传感器
1 变极距型电容传感器
固定极板A
S
d ε
活动极板B
S r 0 S C d d
保持其中两个参数不 变，仅改变其中一个 参数，就可把该参数 的变化转换为电容量 的变化，通过测量电 路就可转换为电量输 出。
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二极管双T型交流电桥
二极管双T型交流电桥电路原理图。e是高频电源，它
提供幅值为Ui的对称方波，VD1、VD2为特性完全相 同的2个二极管，R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差 动电容。
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电容式传感器的应用
电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度
d d
C0 - C
电容的相对变化量和灵敏度为
C x C0 a
C b K x d
圆柱形线位移传感器
角位移形式的电容传感器
当动极板有一角位移时，两极板的相对面积A也发生改
变，导致两极板间的电容量发生变化
当 0 时
C0
当 0 时
A0
d
C (1 ) 0 d
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四·电容式传感器的转换电路
电容传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还
需由后接的转换电路将电容的变化进一步转换成电压 、电流或频率的变化。
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转换电路的组成部分
1．交流电桥
2．调频电路 3．运算放大式电路
4．脉冲宽度调制电路
5．二极管双T型交流电桥
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d
活动极板B
若△d/d<<1时，则上式可简化为:
d C C0 C0 d
最大位移应小于间距的1/10
差动式改善其非线性
两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，
则电容量C随极距d按非线性关系变化，
分析
动极板2未动时传感器初始电容
C0
A
A
d0
当动极板2移动x值后，
C0 x Cx C0 (1 ) d0 x 1 x d0 x d0
及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差 压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。
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1．电容式接近开关
2．电容式油量表 3．电容式差压传感器 4．电容测厚仪
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电容式接近开关
1—检测极板 2—充填树脂 3—测量转换电路 4—塑料外壳 5—灵敏度调节电位器 6—工作指示灯 7—信号电缆
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电容式接近开关
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电容式油量表
1—油料 2—电容器 3—伺服电机 4—减速器 5—指示表盘
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工作原理
当油箱中注入油时，液位上升至h处，电容的变化量ΔCX
与h成正比，电容为CX=CX0+ΔCX。此时，电桥失去平衡 ，电桥的输出电压U0经放大后驱动伺服电动机，由减速箱 减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP滑动，使RP的阻 值增大，当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状 态，U0=0，伺服电动机停转，指针停留在转角θX1处。可 从油量刻度盘上直接读出油位的高度h。 当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏 转，同时带动RP滑动，使其阻值减少。当RP阻值达到一定 值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，于是伺服电动机 再次停转，指针停留在转角θX2处。如此，可判定油箱的 油量。
被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。 主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化， 如介质厚度、介质湿度、液位等。 传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面h成线性 关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h 。
三、电容的选择



常见的电容材料： 云母电容：用金属箔或者在云母片上喷涂银层做电极板，极 板和云母一层一层叠合后，再压铸在胶木粉或封固在环氧树 脂中制成。它的特点是介质损耗小，绝缘电阻大、温度系数 小，适宜用于高频电路。 陶瓷电容：用陶瓷做介质，在陶瓷基体两面喷涂银层，然后 烧成银质薄膜做极板制成。它的特点是体积小，耐热性好、 损耗小、绝缘电阻高，但容量小，适宜用于高频电路。 铁电陶瓷电容：容量较大，但是损耗和温度系数较大，适宜 用于低频电路。 薄膜电容：结构和纸介电容相同，介质是涤纶或者聚苯乙烯 。涤纶薄膜电容，介电常数较高，体积小，容量大，稳定性 较好，适宜做旁路电容。 聚苯乙烯薄膜电容，介质损耗小， 绝缘电阻高，但是温度系数大，可用于高频电路。
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电容式差压传感器
1—弹性膜片 2—凹玻璃圆片 3—金属涂层 4—输出端子 5—空腔 6—过滤器 7—壳体
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工作原理
当被测压力通过过滤器6进入空腔5时，金属弹性膜片1
在两侧压力差作用下，将凸向压力低的一侧。膜片和 两个镀金玻璃圆片2之间的电容量发生变化，由此可测 得压力差。这种传感器分辨率很高，常用于气、液的 压力或压差及液位和流量的测量。
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运算放大式电路
极距变化型电容传感器的电容与极距之间的关系为反
比关系，传感器存在原理上的非线性。利用运算放大 器的反相比例运算可以使转换电路的输出电压与极距 之间关系变为线性关系，从而使整个测试装置的非线 性误差得到很大的减小。
特点：运算式电路的原理较为简单，灵敏度和精度最
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工作过程（2）
当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于 检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变 电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极 化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效 电容量增大，使LC振荡电路的Q值降低。对能量 损耗较大的介质（如各种含水有机物），它在高 频交变极化过程中是需要消耗一定能量的，该能 量是由LC振荡电路提供的，必然使Q值进一步降 低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近 到一定距离时，振荡器的Q值低到无法维持振荡而 停振。根据输出电压U0的大小，可大致判定被测 物接近的程度。
S ——极板相对覆盖面积； d ——极板间距离； εr——相对介电常数； ε0——真空介电常数； ε ——电容极板间介质的介电常数。
固定极板A
S ε
S r 0 S 初始电容: C d d
若极距缩小△d
d ) 0 r s C0 d C C 0 C 2 d d d d 1 1 非线性关系 d d C 0 (1
电容式传感器
一、电容传感器简介 二、电容传感器的分类及工作原理 三、电容的选择 四、放大电路
一、电容传感器简介
电容传感器是一种将被测非电量的变化转换 成电容式变化的传感器。电容式传感器具有灵敏 度高、稳定性好、结构简单、使用寿命长以及可 以进行非接触测量等特点，非常适合在高潮湿、 高尘埃及超高低温等恶劣环境下长期使用，广泛 应用于压力、差压、液压、振动、加速度、成分 含量等方面的测量。
C
A0 (1 )

推导过程
电容与角位移成线性关系。其灵敏度为
dC A K d d
变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一
常数。
3 变介电常数型电容式传感器
C C1 C 2 0 b0
r1 ( L0 L) r 2 L
d0
高。但一般需用“驱动电缆”技术来消除电缆电容的 影响，电路较为复杂且调整困难
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C
A
由运算放大器工作原理可知
Cx
u0
1 / ( jCx ) C u0 u u 1 / ( jC) Cx
～u
Cx ( S ) / d
运算放大器式电路原理图