第5章电容传感器

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1、2008-10-3 1 自动检测与转换技术自动检测与转换技术2008-10-3 2 第五章 电容传感器1、了解电容传感器的工作原理；、了解电容传感器的工作原理； 2、掌握电容传感器的应用；、掌握电容传感器的应用； 3、了解电容接近开关的原理及应用；、了解电容接近开关的原理及应用； 4、了解流量的测量方法。、了解流量的测量方法。 2008-10-3 3 第一节 电容式传感器的工作原理及结构形式0 rAACdd 电容式传感器的电容值变化的工作原理可以通过如电容式传感器的电容值变化的工作原理可以通过如图所示的平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，电容图所示的平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，电容器的

2、电容值为器的电容值为 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； 两极板间介质的介电常数； r两极板间介质的相对介电常数 0真空的介电常数 结论：在结论：在A、d、三个参量中，改变其中任意一个量，均三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量可使电容量C改变。也就是说，电容量改变。也就是说，电容量C是是A、d、的函数，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：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。变面积式、变极距式、变介电常数式。上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？上式中，哪几个参量

3、是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？2008-10-3 4 一、变面积式电容传感器000()(1)XXb axAxCCaeedd= 如图是平板形直线位移式结构，如图是平板形直线位移式结构，其中极板其中极板1可以左右移动，称为动极可以左右移动，称为动极板。极板板。极板2固定不动，称为定极板。固定不动，称为定极板。 设两极板原来的遮盖长度为设两极板原来的遮盖长度为a0,极板宽度为极板宽度为b,极距为极距为d，极板，极板间介质的介电常数为间介质的介电常数为。当动极。当动极板随被测物体移动板随被测物体移动x时，电容量时，电容量将随之改变。电容值为将随之改变。电容值为 式中，C0初始电容值，C0=b

4、a0/d)1 ()(000axCdxabdACXX 从式中可知，增大极板长度从式中可知，增大极板长度b，减小极距，减小极距d，可提高，可提高灵敏度。但极距不可太小，否则容易引起短路。灵敏度。但极距不可太小，否则容易引起短路。 2008-10-3 5 如图是同心圆筒形变面积式传如图是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。筒内作上、下直线运动。式中x外圆筒与内圆筒覆盖部分长度（m)； r1、r2外圆筒内半径与内圆筒（或内圆柱）外半径，即它们的工作半径（m)。 x变化时，电容量变化，灵敏度为变化时，电容量变化，灵敏度为圆柱线位移型电容器

5、的电容为:12/ln2rrxC 2008-10-3 6 如图是一个角位移式的结构。如图是一个角位移式的结构。极板极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一的轴由被测物体带动而旋转一个角位移个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A就减小，因而电容量也随之减小。就减小，因而电容量也随之减小。 当覆盖面积对应的中心角为当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为极板半径为r时，覆盖面积为时，覆盖面积为：电容量为：电容量为：其灵敏度为其灵敏度为 上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于成线

6、性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。较大角位移及直线位移的测量。 2008-10-3 7 二、变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两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极板之间的距离 ，从而使电容量发生变化。，从而使电容量发生变化。 实际使用时，总是使初始极距实际使用时，总是使初始极距 0尽量小些，以提高灵尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。 根据式根据式如果如果 S 、 不变，当不变，当变化，引起电容量的变化变化，引起电容量的变化

7、为：为： 传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为： 2008-10-3 8 变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小些还是小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距大些？当变极距式电容传感器的初始极距d d0 0较小时，它的测量较小时，它的测量范围变大还是变小？范围变大还是变小？ a） 结构示意图结构示意图 b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系 1定极板定极板 2动极板动极板 2008-10-3 9 差动电容传感器差动电容传感器 为了提高传感器的灵敏度，减小非线性为了提高传感器的灵敏度，减小非线性 ，常

8、采用差动结构常采用差动结构外界的影响诸如温度、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消等也基本能相互抵消 2008-10-3 10 三、变介电常数式 当相对介电常数为当相对介电常数为r的的介电质的厚度为介电质的厚度为时，其电时，其电容值为容值为 0 00()()rbCllleed=-+x ）（ 153 0 xxabC2008-10-3 11 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器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。两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。 表表5-1 5-1 几种介质的相

9、对介电常数几种介质的相对介电常数 根据根据表表5-15-1，分析，分析不同介质对变介电常数电容器的影不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？2008-10-3 12 一一、桥式电路、桥式电路 CCCCCCxx0201第二节 电容式传感器的测量转换电路 图图（b）中，设）中，设 图图a)为单臂接法的桥式测量电路，电路中的高频电源经为单臂接法的桥式测量电路，电路中的高频电源经变压器接到电容电桥的一条对角线上，电容变压器接到电容

10、电桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、CX构成电桥电路的构成电桥电路的4个桥臂，其中个桥臂，其中CX为电容传感器。当无信为电容传感器。当无信号输入时，交流电桥平衡，即号输入时，交流电桥平衡，即C1/C2=CX/C3，输出电压，输出电压=0。当当CX改变时，则改变时，则 U0 0，有电压输出。，有电压输出。 2008-10-3 13 缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能辨别缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波后，才能辨别位移方向。位移方向。 对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得： ），（其中ddACddACxx020102dd

11、UUo优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。转化为位移与输出电压的线性关系。 02CCUUo可得：可得： 22UUUxCo2221UZZZUxxxCCC21212xxxxCCCCU2111221UCjCjCjUxxx2008-10-3 14 调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为 LC LC 振荡器谐振振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发生发生变化，就使振荡器的频率变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。产生相应的变化。 电