1、 第一节第一节 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理第二节第二节 电容式传感器的类型及特性电容式传感器的类型及特性第三节第三节 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路第四节第四节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容式传感器是把被测量转换电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等特点，因此，能力大及价格便宜等特点，因此，可以用来测量压力、力、位移、可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。振动、液位等参
2、数。第一节电容式传感器的工作原第一节电容式传感器的工作原理理 电容式传感器的基本工作原理可以用图示的平板电容器来说明。设两极板相互覆盖的有效面积为，两极板间的距离为，极板间介质的介电常数为，平板电容器的电容为：可以看出，、三个参数中如果保持其中两个参数不变，改变另外一个参数，则电容就将产生变化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容的变化反映出来。一、变面积式电容传感器 直线位移型电容式传感器的示意图。当动极板移动后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，其值为：第二节电容式传感器的类型及特性第二节电容式传感器的类型及特性电容因位移而产生的变化量为：其灵敏度
3、为：可见增加或减小均可提高传感器的灵敏度。此类传感器的几种派生形式：图是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容的变化，此时电容为：图中极板采用了齿形板，其目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。当齿形极板的齿数为，移动后，其电容为：其灵敏度为：结论：变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线性关系。二、变间隙式电容传感器 图3-4为变间隙式电容传感器的原理图。当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板间的距离发生变化，从而改变了两极板之间的电容。设极板面积为，其静态电容为：当活动极板移动后，其电容为：当时三、变介电常数式电容传感器 当电容式传
4、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。图3-5为介质面积变化的电容式传感器。传感器的电容为：设极板间无介电常数为的介质时，电容为：当介电常数为的介质插入两极板间时，则有：电容与位移呈线性关系。一、普通交流电桥 图3-6所示为由电容、和阻抗、组成的交流电桥测量电路，其中为电容传感器的电容，为等效配接阻抗，和分别为固定电容和阻抗。第三节电容式传感器的测量电第三节电容式传感器的测量电路路 电桥初始状态调至平衡，当传感器电容变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的幅值随而变化。电桥的输出电压为：式中，为电容臂阻抗；为传感器电容变化时对应的阻抗增量；为电桥输出端放大器的输入
5、阻抗。这种交流电桥测量电路要求提供幅度和频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗很高。为了改善电路的动态响应特性，一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的倍。二、紧耦合电感臂电桥 图3-7为用于电容传感器测量的紧耦合电感臂电桥。该电路的特点是两个电感臂相互为紧耦合，它的优点是抗干扰能力强，稳定性高。电桥的输出电压表达式为：三、变压器电桥变压器电桥如图3-8所示。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为：以，代入上式可得：设和为变间隙式电容传感器，则有：可得：四、双电桥电路 测量电路如图3-9所示。图中、为差动电容式传感器的电容，为负载电阻，、为理想二极管，、为固定电阻。工作原理：当为正
6、半周时，导通，截止，充电；当电源负半周时，截止，导通，充电，放电。的放电回路，一路通过、，另一路通过、，这时流过的电流为。下一个正半周，导通，截止，又被充电，而则要放电。放电回路一路通过、，另一路通过、，这时流过的电流为。如果，则流过的电流和的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内流过负载电阻的平均电流为零，上无电压输出。若或变化时，有信号输出。输出电压值为：当，为已知时，则：五、运算放大器式测量电路 电路的原理图如图3-10所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。运算放大器的输入阻抗很高，因此可认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为：式中，为运算放大器输出电压；为信号
7、源电压；为传感器电容；为固定电容器电容。可以看出，与动极片机械位移成线性关系。六、脉冲调制电路 差动脉冲宽度调制电路图3-11所示。这种电路根据差动电容式传感器电容和的大小控制直流电压的通断，所得方波与和有确定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触发器的两个输出端。图3-12为电路上各点的波形。输出电压为：当电阻时，则有：输出电压与电容变化成线性关系。七、调频电路 把电容式传感器与一个电感元件配合构成一个振荡器谐振电路。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变化，再通过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后即可显示，这种方法称为调频法。图3-13为调频鉴频电路原
8、理图。调频振荡器的振荡频率由下式决定：一、电容式位移传感器 图3-14是变面积式位移传感器的结构图。这种传感器采用了差动式结构。当测杆随被测位移运动而带动活动电极移动时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其电容也相应产生变化。这种传感器有良好的线性。第四节电容式传感器的应用第四节电容式传感器的应用二、电容式压力传感器 图3-15是一种典型的差动式电容压力传感器。该传感器由金属活动膜片与电镀有金属膜的玻璃圆片固定电极组成。在被测压力的作用下，膜片弯向低压的一边，从而使一个电容增加，另一个电容则减少，电容变化的大小反映了压力变化的大小。三、电容式加速度传感器 图3-16是一种空气阻尼
9、的电容式加速度传感器。该传感器有两个固定电极，两极板间有一用弹簧支承的质量块，质量块的两个端平面作为动极板。当测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使得上下两对极板形成的电容发生变化。ColibrysMS9000系列是一个电容式MEMS加速度计，它是由一个立体微加工工艺支撑的硅元件，一个低功耗ASIC专用信号处理器和一个存储补偿值的微控制器等元件组成。该产品是一个低功耗的、校准的、功能强大和性能稳定的产品，其电子配置中带有一个电源重置以防止电压不稳的全保护装置。四、电容式液位传感器 利用被测介质液面变化转换为电容变化的一种介质变化型电容式传感器。图用于被测介质是非导电物质。图适用于测量导电液体的液位。电容式数字油位传感器五、电容式荷重传感器 电容式荷重传感器是利用弹性敏感元件的变形，造成电容随外加重量的变化而变化。图3-18为一种电容式荷重传感器结构示意图。电容式称重传感器六、电容式测厚仪 电容式测厚仪是用于测量金属带材在轧制过程中的厚度的在线检测仪器。图3-19为电容式测厚仪的工作原理框图。橡胶电容式测厚仪
