1、2022-8-81n学习要求：学习要求：1、掌握掌握变极距、变面积、变介质电容式传变极距、变面积、变介质电容式传感器的工作原理，特点及应用。感器的工作原理，特点及应用。2、熟悉熟悉常用电容式传感器的常用检测电路常用电容式传感器的常用检测电路及特点。及特点。3、学习学习应用电容式传感器。应用电容式传感器。第三章第三章 电容式传感器电容式传感器2022-8-822022-8-83电容式传感器电容式传感器 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或它本身（或/和和被测
2、物）就是一个可变电容器。被测物）就是一个可变电容器。被测量的变化被测量的变化 电容式传感器电容式传感器 电容量的变化电容量的变化 被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成份分析等速、流量及成份分析等,精度可达精度可达 0.01%，250mm量程可量程可达达5um。电容式传感器作为电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量频响宽、应用广、非接触测量的一的一种传感器，是很有发展前途的。种传感器，是很有发展前途的。2022-8-843.13.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成
3、的平板电容器，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为如果不考虑边缘效应，其电容量为 dSC式中式中:电容极板间介质的介电常数，电容极板间介质的介电常数，=0r，其中，其中0为真空介电常数，为真空介电常数，r极极板间介质的相对介电常数；板间介质的相对介电常数；S两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。+dS 2022-8-853.13.1 电容式传感器的工作原理及类型电容式传感器的工作原理及类型p当被测参数变化使得式中的当被测参数变化使得式中的S、d或或发生变化时，发生变化时，电容电容量量C也随之变化。保持其中
4、两个参数不变，而仅改变其也随之变化。保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，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。通过测量电路就可转换为电量输出。p因此，电容式传感器可分为变极距型、因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介变面积型和变介电常数型三种。电常数型三种。其中变极距型和变面积型应用较广。其中变极距型和变面积型应用较广。+2022-8-86图图4-1 电容式传感元件的各种结构形式电容式传感元件的各种结构形式图图(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和和(h)为变面积型，为变面积型，图图(a)和和
5、(e)为变极距型，为变极距型，图图(i)(l)则为变介电常数型。则为变介电常数型。2022-8-872022-8-88驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。2022-8-89 321 321 变极距电容式传感器变极距电容式传感器 当电容器板间极距当电容器板间极距d d 缩小缩小d
6、d，电容器增大，电容器增大CC。可见可见C与与d 并不是纯粹线性关系。并不是纯粹线性关系。当当dd 时，时，灵敏度灵敏度 可见可见在在d越小时灵敏度越高越小时灵敏度越高。在测量微小量变化时，可以近。在测量微小量变化时，可以近似认为似认为dddCddddSdSddSC0)(ddCC02dSdCKsdC 3.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性2022-8-810变极距电容式传感器变极距电容式传感器n 在在d0较小时，对于同样的较小时，对于同样的d变化所引起的变化所引起的C可以很可以很大，从而使传感器灵敏度提高。大，从而使传感器灵敏度提高。n d0过小，容易引起电容器击穿或
7、短路。为此，极板间过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可部分采用高介电常数的材料（云母、可部分采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）塑料膜等）作介质作介质,如下图，如下图，2022-8-811000ddSCgg式中：式中：g云母的相对介电常数，云母的相对介电常数，g=7；0空气的介电常数，空气的介电常数，0=1；d0空气隙厚度；空气隙厚度；dg云母片的厚度。云母片的厚度。此时电容此时电容C变为：变为：2022-8-812电介质材料的相对介电常数电介质材料的相对介电常数 2022-8-813p云母片的相对介电常数是空气的云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小倍，其击穿电压不小于
8、于1000 kV/mm，而空气仅为，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，极板间起始距离可大大减小。同时，dg/0g项是恒定值，项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。p 一般变极距电容式传感器的起始电容在一般变极距电容式传感器的起始电容在20100pF之间，之间，极板间距离在极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的范围内。最大位移应小于间距的的1/10，故在微位移测量中应用最广。故在微位移测量中应用最广。2022-8-814 实际应用中，常常采用差动型电容式传感器。实际应
9、用中，常常采用差动型电容式传感器。作用：改善非线性，提高灵敏度，减少外界因素影响。作用：改善非线性，提高灵敏度，减少外界因素影响。22dSdCKs222()()22SSSSCddddddSddSddddddddddSdd 差动型电容式传感器差动型电容式传感器2022-8-815dSdSdSSC)(满足线性关系。与可见：SCdSCKs灵敏度为：dbCKCdbCs3.2.2 3.2.2 变面积型变面积型直线位移测量直线位移测量2022-8-8162 2、角位移量角位移量drCKrddSCs22222022-8-817n3 3、圆柱型位移量圆柱型位移量)/ln(2dDhC)/ln(2)/ln(2)/
10、ln(2dDhdDhdDhhC)/ln(2dDhCKs2022-8-8183.2.33.2.3 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器AC0式中：式中：空气介电常数；空气介电常数；C0变换器初始电容值变换器初始电容值,即即 dDnHC1203.2.33.2.3 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器n如图是一种变极板间介质的电容如图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常构原理图。设被测介质的介电常数为数为1，液面高度为，液面高度为h,变换器总变换器总高度为高度为H，内筒外径为，内筒外径为d，外筒内，外筒内径为径为D，此时
11、变换器电容值为，此时变换器电容值为DdHh1111022()2()2()211111hhhHhHCCDDDDDnnnnnddddd2022-8-820变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器n可见，此变换器的可见，此变换器的电容增量正比于被测液位电容增量正比于被测液位高度高度h。n变介质型电容传感器有较多的结构形式，可变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。固体介质的湿度。2022-8-821变介质型电容式传感器变介质型电容式传感
12、器n图中两平行电极固定不图中两平行电极固定不动，极距为动，极距为d0，相对介，相对介电常数为电常数为r2的电介质以的电介质以不同深度进入电容器中，不同深度进入电容器中，从而改变两种介质的极从而改变两种介质的极板覆盖面积。板覆盖面积。传感器总传感器总电容量电容量C为为LdbCdLbdLbdLLLbCCCrrrrrrr012000012000010002010021)()()(电容量的变化与电介质电容量的变化与电介质r2的移动量的移动量L成线性关系。成线性关系。2022-8-822电容式传感器应用电容式传感器应用电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容
13、被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化.接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。2022-8-8243.33.3 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3.3.1 3.3.1 特点：特点：优点：优点：1、温度稳定性好。、温度
14、稳定性好。2、结构简单，适应性强。、结构简单，适应性强。3、动态响应性好。、动态响应性好。4、可以实现非接触测量。、可以实现非接触测量。5、可以实现微压、微力、微小位移、加速度等的测量。、可以实现微压、微力、微小位移、加速度等的测量。缺点：缺点：1、输出阻抗高，负载能力差。、输出阻抗高，负载能力差。2、寄生电容影响大。、寄生电容影响大。3、输出特性非线性。、输出特性非线性。2022-8-8253.3.23.3.2 等效电路等效电路R,L 传输线的电阻和电感传输线的电阻和电感 C 传感器的电容；传感器的电容；Cp 寄生电容；寄生电容；Rp 极间漏电阻（绝缘电阻）；极间漏电阻（绝缘电阻）；nA，B
15、端端等效电容等效电容 Ce(忽略忽略Rp,R 的影响的影响)：ppepeCCLCCCCCjLjCj21112022-8-826若若Cp 很小，则很小，则 对对C 求导：求导：等效电容灵敏度：等效电容灵敏度：LCCCe21CLCCLCdCdCee222211,)1(1222211LCkdLCCdCksee等效电路等效电路2022-8-8273.43.4 电容式传感器检测转换电路电容式传感器检测转换电路n电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小,这样微小的电容量很难直接为目前的显示仪表所显这样微小的电容量很难直接为目前的显示仪表所显示示,也很难为记录
16、仪所接受也很难为记录仪所接受,不便于传输。必须借助不便于传输。必须借助于测量电路检出这一微小电容增量于测量电路检出这一微小电容增量,并将其转换成并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。n电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。2022-8-8283.4.1 调频测量电路调频测量电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时一部分。当
17、输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡振荡器的振荡频率就发生变化。频率就发生变化。将频率作为测量系统的输出量将频率作为测量系统的输出量,可以用来判断被测非可以用来判断被测非电量的大小电量的大小,但此时系统是非线性的但此时系统是非线性的,不易校正不易校正,因此加因此加入鉴频器入鉴频器,将频率的变化转换为振幅的变化将频率的变化转换为振幅的变化,经过放大处经过放大处理后输入显示或记录等仪器理后输入显示或记录等仪器。2022-8-829341 调频测量电路调频测量电路 调频振荡器的振荡频率为：调频振荡器的振荡频率为：当被测信号为当被测信号为0时，时，C 为零。当被测信号不为为零。当被测信号不为0时，
18、时，C产生变化产生变化C，相应引起，相应引起f 的变化为的变化为LCf21 CCLf23412022-8-830342调幅电路调幅电路交流电桥法交流电桥法 CC421112233233220UCCCCUCCCUUUxxx 设设C1=C2=C3=CX=C,则则CX321CCCCX00U2022-8-831谐振法谐振法2022-8-832 343343 运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路 变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采线性关系，使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大
19、器电路，可以使输出电压与位移的关系转用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容型电容式传感器的输入电路，采用固定电容Ci，Ui为稳定为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为例器的运算关系为输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。/CiUoUiCxCxS dCiUoUidS 2022-8-8333.4.43.4.4 二极管双二极管双T形
20、交流电桥形交流电桥n 二极管双二极管双T形交流电桥电路原理图。形交流电桥电路原理图。e是高频电源，是高频电源，它提供了幅值为它提供了幅值为U的对称方波，的对称方波，VD1、VD2为特性完全相为特性完全相同的两只二极管，固定电阻同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器为传感器的两个差动电容。的两个差动电容。2022-8-834 二极管双T形交流电桥 2022-8-835 当传感器没有输入时，当传感器没有输入时，C1=C2。其电路工作原理如下：当。其电路工作原理如下：当e为正半周时，二极管为正半周时，二极管VD1导通、导通、VD2截止，于是电容截止，于是电容C1充电，充电，其等效
21、电路如图（其等效电路如图（b）所示；在随后负半周出现时，电容）所示；在随后负半周出现时，电容C1上上的电荷通过电阻的电荷通过电阻R1，负载电阻，负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I1。当当e为负半周时，为负半周时，VD2导通、导通、VD1截止，则电容截止，则电容C2充电，其等效充电，其等效电路如图（电路如图（c）所示；在随后出现正半周时，）所示；在随后出现正半周时，C2通过电阻通过电阻R2，负载电阻负载电阻RL放电，流过放电，流过RL的电流为的电流为I2。根据上面所给的条件，。根据上面所给的条件，则电流则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过，且方向相反，在一个周期内流
22、过RL的平均电流的平均电流为零。为零。2022-8-836 若传感器输入不为若传感器输入不为0，则，则C1C2,I1I2,此时在一个周期此时在一个周期内通过内通过RL上的平均电流不为零，上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为电压在一个周期内平均值为 120121()()(2)()()ToLLLLLiLUI RI tI t dtRTR RRRUfCCRR式中,f 为电源频率。)()()2(2常数MRRRRRRLLL12()oiUUf M CCp可见，输出电压可见，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与与
23、T形网络中的电容形网络中的电容C1和和C2的差值有关。当电源电压确定后，的差值有关。当电源电压确定后，输出电压输出电压Uo是电容是电容C1和和C2的函数。该电路输出电压较高，当的函数。该电路输出电压较高，当电源频率为电源频率为1.3 MHz，电源电压，电源电压U=46V时，电容在时，电容在-77 pF变变化，可以在化，可以在1M负载上得到负载上得到-55V的直流输出电压。的直流输出电压。p电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。稳定。当当U幅值较高，使二极管幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，工作在线性区域时，
24、测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，无关，而仅与而仅与R1、R2及及RL有关，约为有关，约为1100k。输出信号的上升沿。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于时间取决于负载电阻。对于1 k的负载电阻上升时间为的负载电阻上升时间为20s左右，左右，故可用来测量高速的机械运动。故可用来测量高速的机械运动。2022-8-83835 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例n电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系动振幅，尤其适合测量高频振动振幅
25、、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可以用来测量压回转精度、加速度等机械量。还可以用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等等。度、密度、厚度等等。n在自动检测和控制系统中也常常用来作为在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信位置信号发生器号发生器。当测量金属表面状况、距离尺寸、振。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电容传感动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电器
26、，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。极则在传感器内。2022-8-839n差分电容压力传感器差分电容压力传感器：35 电容式传感器的应用举例电容式传感器的应用举例2022-8-840差分电容压力传感器差分电容压力传感器n图中所示膜片为动电极，图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差镀层为固定电极，构成差动电容器。动电容器。n当被测压力或压力差作用当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电该电
27、容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变相对应的电流或电压的变化。化。2022-8-841电容式加速度传感器电容式加速度传感器n当传感器壳体随被测对象沿当传感器壳体随被测对象沿垂直方向垂直方向作直线加速运动时，作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使使C1、C2产生大小相等、
28、符号相反的增量，此增量正比于产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。被测加速度。n电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。大多采用空气或其它气体作阻尼物质。2022-8-842非接触检测电容式传感器非接触检测电容式传感器n电容式传感器非接触检测电容式传感器非接触检测塑料管道内溶液液位。当塑料管道内溶液液位。当液位达到设定高度并超出液位达到设定高度并超出时，溶液进入电容式传感时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生器检测范围，传感器产生输出信号传送给控制机构，输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它控制机构报警或进行其它动作，达到液位控制的目动作，达到液位控制的目的。的。2022-8-843n电容式传感器电容式传感器
