1、第4章 电容式传感器 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。优点：结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高 温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作；可非接触测量；灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量；极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度；缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。3.1 电容式传感器的工作原理及结构类型3.2 电容式传感器的等效电路 3.3 电容式传感器的测量电路3.4 电容式传感器的应用 第4章 电容式传感器3.1 电容式传感器的工作原理及结构类型一、工作原理及结构类型二、变间
2、隙式电容传感器 三、变面积式电容传感器 四、变介电常数式电容传感器五、电容式传感器的分类 六、电容式传感器的输出特性 第4章 电容式传感器一、工作原理及结构类型 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应，电容器的电容量：dSdSCr0S 两平行极板所覆盖的面积；D 两平行极板之间的距离；极板间介质的介电常数；0 真空介电常数（8.85410-12 Fm-1）r 介质相对真空的介电常数，r空气1，其它介质r 1。当被测量使得S、d 或 发生变化时，电容量C 也随之变化。一般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该
3、参数的变化转换为电容量的变化。第4章 电容式传感器u 电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、变面积式和变介电常数式。（a）、（b）变间隙式；（c）、（d）、（e）、（f）变面积式；（g）、（h）变介电常数式第4章 电容式传感器二、变间隙式电容传感器 初始电容 00dSC202000001111dddddSdddSddSC当d比较器的参考电压Ur。l 测量原理：电源接通，Q1，A点为高电位，通过R1对C1充电，UM上升，直到高于Ur时比较器A1产生脉冲使双稳态触发器翻转，A点变为低电位，C1通过D1迅速放电使UM接近零电位，此时B点为高电位，通过R2对C2充电，UN上升，直
4、到高于Ur时比较器A2产生脉冲使双稳态触发器重新翻转，第4章 电容式传感器 C1=C2 时，C1 和C2 充电相同，电压波形如图(a)，输出电压uAB为等宽矩形波，平均电压值为零。当差动电容C1 和C2 值不相等时，假设C1C2，则C1 和C2 充电时间发生变化，电压波形如图(b)。uAB为不等宽矩形波，平均电压值不为零，C1、C2相差越大，此值越大。经低通滤波器滤波后获得直流输出电压Uo.。12121oUCCCCUU1触发器输出高电平 双 稳发 器态 触A点变为高电位，B点变为低电位，如此周而复始。第4章 电容式传感器对平行板变极距电容器 11212oUddddU当差动电容C1C2C0。，即
5、 d1d2d0时，Uo0；若C1C2，C1C2，即d1d0-d，d2d0+d，则 10oUddU若为差动变极板面积电容传感器 112121oUSSUSSSSU特点：(1)输出电压与被测位移（或面积变化）成线性关系；(2)效率高，不需要解调器，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出；(3)不需要载波；(4)调宽频率的变化对输出无影响；(5)不像调幅线路那样，需对元件提出线性要求；(6)由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。第4章 电容式传感器五、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一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化，将频率的变化在鉴
6、频中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。也可以直接通过计数器测定其频率资。(输入 C f U)调频接收系统分为直放式调频（a）和外差式调频（b）两种类型。外差式调频线路比较复杂，但是性能远优于直放式调频电路。其主要优点是选择性高，特性稳定，抗干扰性能强，灵敏度高。第4章 电容式传感器调频振荡器的振荡频率由下式决定：LCf21式中 L 振荡回路的电感；C总电容。CCl+Cc+C0C；其中 C1振荡回路的固有电容；Cc传感器的引线分布电容；C0C传感器的电容。当被测信号为0时，C 0，则CCl+Cc+C0，所以振荡器有一个固有频率 当被测信号不为0时，即C0，振荡频率
7、有相应变化，此时，频率为 优点：灵敏度高，可测量0.01m甚至更小位移；抗干扰能力强；能获得高电平直流信号（伏特数量级）或频率数字信号（易用于数字仪器和计算机接口）；缺点：受温度影响大。)(21010CCCLfc)(21010CCCCLfffc第4章 电容式传感器 六、谐振电路 电容传感器C3 作为谐振回路中（L2，C2，C3）调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容C3 发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化又表现为整流器电流的变化。于是，该电流经过放大后即可指示输入量的大小。为了获得较好的线性关系、一般谐振电路的工作点选在谐振曲
8、线的一边，即最大振幅70附近的地方，且工作范围选在 BC 段内。优点：比较灵敏。缺点：(1)工作点不容易选好，变化范围也较窄；(2)传感器与谐振回路要靠近，否则电缆的杂散电容对电路影响较大；(3)为了提高测量精度，振荡器的频率稳定度要优于10-6的数量级。第4章 电容式传感器3.4 电容式传感器的应用 电容式传感器因灵敏度高、响应时间短、结构简单、能在恶劣条件下工作、可非接触测量等优点，广泛应用于位移、振动、加速度、角度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。第4章 电容式传感器一、转速测量1 齿轮（动极板）2 定极 3 电容传感器 4 频率计60Nf
9、n第4章 电容式传感器二、电容式差压传感器（差压变送器）它由金属弹性测量膜片7与凹型绝缘体5（陶瓷、玻璃等）上金属膜6（镀金）组成两室结构，室内充满硅油。金属弹性膜片7为动极板，凹型绝缘体上的金属膜6为定极板，构成差动变间隙电容传感器。1、4波纹隔离膜片；2、3基座；5玻璃层；6金属膜；7弹性测量膜片第4章 电容式传感器用途：测量压力差。原理：当左右隔离膜片分别承受两个压力产生变形时，被测压力 通过隔离膜片及硅油导入空腔，施加在作为动极板的金属弹性膜片两侧。当这两个压力不同时，弹性膜片两侧有压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个定极板与动极板间的电容量。这种传感器的灵敏度和分辨率
10、都很高。其灵敏度取决于初始间隙 d0，d0 越小灵敏度越高。其动态响应主要取决于弹性膜片的固有频率。若接入差动电桥，输出电压与压力差成线性关系，且与介质的介电常数无关。第4章 电容式传感器三、电容式加速度传感器 左图是一种差动电容式加速度传感器的工作原理图。传感器由两个差动电容组成，上极板与悬臂梁构成 C1，悬臂梁与下极板构成 C2。当加速度为零时，悬臂梁处在上、下极板的中间位置，C1C2；当有加速度存在时，由Fma，有一惯性力F作用在悬臂梁上，悬臂梁产生变形，与两定极板的距离发生变化，于是 C1C2。a=0 a 0绝缘质量块弹簧 右图是另一种差动电容式加速度传感器的结构示意图。上下各有一固定
11、电极1、2，作为上、下定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，上下端面磨平抛光后作为动极板。第4章 电容式传感器 电容式加速度传感器目前多采用表面微加工技术制造，如右图所示。它由三个多晶硅层组成差动电容，第一层和第三层是不动的，第二层是悬臂梁，它在加速度作用下是可运动的。这种传感器可以和检测电路集成在一起，组成一个加速度检测模块。其灵敏度可达0.35mV/g/V。第4章 电容式传感器 在被测体的两个固定点上，安装两个薄而低的拱形弧板，两个拱形弧板的曲率略有差别，两个长方形电极板固定在拱形弧板的中央。安装时应注意两个极板保持平行并平行于安装传感器的平面。拱形弧板具有一定的放大作用，当两固定点受压
12、缩（两点距离减小）或受拉伸（两点距离增大）而产生位置变化时，电容极板间距发生变化（受压缩时极距变小、受拉伸时极距变大），从而使电容值变化。拱形弧板一般用镍合金制造。四、电容式应变计 对于某些被测物由于受力而产生的形变或受温度影响的膨胀、收缩，可以采用电容式形变传感器（或称电容式应变计）测量，以弥补某些条件下电阻应变片测量的不足。第4章 电容式传感器 在弹性钢板内平行圆孔间设置平行板电容器，当钢板受压力变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变。主要用于重负载。五、电容式荷重传感器第4章 电容式传感器示波器传感器记录器六、电容式振动、位移测量仪 下图为DWY-3型振动、位移测量仪用于测量旋转轴的回转精度和振摆示意图。该仪器主要用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往复机构的运动特性和定位精度、机械构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和平直度等。
