第4章电容式传感器原理及其应用PPT文档格式.ppt

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u因因此此，电电容容式式传传感感器器通通常常可可以以分分为为三三种种类类型型：

改改变变极极板板面面积积的的变变面面积积式式；

改改变变极极板板距距离离的的变变间间隙隙式；

改变介电常数的变介电常数式。

式；

4.1.2变面积式电容传感器变面积式电容传感器变面积式电容式传感器通常分为线位移型和角位移变面积式电容式传感器通常分为线位移型和角位移型两大类。

型两大类。

（1）线位移变面积型）线位移变面积型常用的线位移变面积型电容式传感器可分为平面线常用的线位移变面积型电容式传感器可分为平面线位移型和柱面线位移型两种结构，如图位移型和柱面线位移型两种结构，如图4-2所示。

所示。

对对于于平平板板状状结结构构，在在图图4-2（a）中中，两两极极板板有有效效覆覆盖盖面面积积就就发发生生变变化化，电电容容量量也也随随之改变，其值为：

之改变，其值为：

式中，式中，为初始电容值。

，为初始电容值。

对对于于柱柱状状结结构构，在在图图4-2（b）中中，覆覆盖盖面面积积就就发发生生变变化化，电电容容量量也也随随之之改改变变，其其值值为：

为：

（2）角位移型角位移型角位移型是变面积式电容传感器的派生形式，其派角位移型是变面积式电容传感器的派生形式，其派生形式种类较多，如图生形式种类较多，如图4-3所示。

（a）角位移型；

（）角位移型；

（b）齿形极板型；

（）齿形极板型；

（c）圆筒型；

（）圆筒型；

（d）扇型）扇型图图4-3变面积式电容传感器的派生型变面积式电容传感器的派生型在图在图4-3（a）中，当动极板有一个角位移）中，当动极板有一个角位移时，它与时，它与定极板之间的有效覆盖面积就会发生变化，从而导致定极板之间的有效覆盖面积就会发生变化，从而导致电容量的变化，电容值可表示为：

电容量的变化，电容值可表示为：

4.1.3变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器当电容式传感器的面积和介电常数固定不变，只改当电容式传感器的面积和介电常数固定不变，只改变极板间距离时，称为变间隙式电容传感器，其结变极板间距离时，称为变间隙式电容传感器，其结构原理如图构原理如图4-4所示。

图中图中1为固定极板，为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。

为与被测对象相连的活动极板。

当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，电容当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，电容量随着两极板间的距离的变化而变化，当活动极板量随着两极板间的距离的变化而变化，当活动极板移动后，其电容量为：

移动后，其电容量为：

因此，这种类型传感器一般用来对微小位移量进行因此，这种类型传感器一般用来对微小位移量进行测量，正常工作在微米到几毫米的线位移。

同时，测量，正常工作在微米到几毫米的线位移。

同时，变间隙式电容传感器要提高灵敏度，应减小极板间变间隙式电容传感器要提高灵敏度，应减小极板间的初始间距。

的初始间距。

为了改善这种情况，一般是在极板间放置云母、塑为了改善这种情况，一般是在极板间放置云母、塑料膜等介电常数较高的介质。

料膜等介电常数较高的介质。

4.1.4变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器根据前面的分析可知，介质的介电常数也是影响电根据前面的分析可知，介质的介电常数也是影响电容式传感器电容量的一个因素。

通常情况下，不同容式传感器电容量的一个因素。

通常情况下，不同介质的介电常数各不相同，一些典型介质的相对介介质的介电常数各不相同，一些典型介质的相对介电常数如表电常数如表4-1所示。

当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化，当电容式传感器的电介质改变时，其介电常数变化，也会引起电容量发生变化。

也会引起电容量发生变化。

变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实变介电常数式电容传感器就是通过介质的改变来实现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化现对被测量的检测，并通过传感器的电容量的变化反映出来。

它通常可以分为柱式和平板式两种，如反映出来。

它通常可以分为柱式和平板式两种，如图图4-5所示。

（a）柱式）柱式（b）平板式）平板式图图4-5变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器的两极板间若存在导电物变介电常数式电容传感器的两极板间若存在导电物质，还应该在极板表面涂上绝缘层，防止极板短路，质，还应该在极板表面涂上绝缘层，防止极板短路，如涂上聚四氟乙烯薄膜。

如涂上聚四氟乙烯薄膜。

变介电常数式电容传感器除了可以测量液位和位移变介电常数式电容传感器除了可以测量液位和位移之外，还可以用于测量电介质的厚度、物位，并可之外，还可以用于测量电介质的厚度、物位，并可以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量以根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量的变化而变化来测量温度、湿度、容量等参数。

常的变化而变化来测量温度、湿度、容量等参数。

常见的一些变介电常数式电容传感器的结构原理图如见的一些变介电常数式电容传感器的结构原理图如图图4-6所示。

（a）测介质厚度；

测介质厚度；

（b）测量位移；

测量位移；

（c）测量液位；

测量液位；

（d）测温度、湿度测温度、湿度图图4-6常见变介电常数式电容传感器常见变介电常数式电容传感器4.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4.1.1工作原理及结构形式工作原理及结构形式电容式传感器输出电容量以及电容变化量都非常微电容式传感器输出电容量以及电容变化量都非常微小，这样微小的电容量目前还不能直接被显示仪表小，这样微小的电容量目前还不能直接被显示仪表所显示，无法由记录仪进行记录，亦不便于传输。

所显示，无法由记录仪进行记录，亦不便于传输。

借助测量电路检出微小的电容变化量，并转换成与借助测量电路检出微小的电容变化量，并转换成与其成正比的电压、电流或者频率信号，才能进行显其成正比的电压、电流或者频率信号，才能进行显示、记录和传输。

示、记录和传输。

用于电容式传感器的测量电路很多，常见的电路有：

普通交流电桥、变压器电桥、双普通交流电桥、变压器电桥、双T形电桥电路、紧形电桥电路、紧耦合电感臂电桥、运算放大器式测量电路、调频电耦合电感臂电桥、运算放大器式测量电路、调频电路、脉冲宽度调制电路等。

路、脉冲宽度调制电路等。

4.2.1普通交流电桥电路普通交流电桥电路普通交流电桥测量电路如图普通交流电桥测量电路如图4-7所示，所示，为为传感器电容，传感器电容，为等效配接阻抗，为等效配接阻抗，和和分分别为固定电容和固定阻抗。

别为固定电容和固定阻抗。

传感器工作前，先将电桥初始状态调至平衡。

当传感器工作时，电容当传感器工作时，电容发生变化，电桥发生变化，电桥失去平衡，从而输出交流电压信号。

失去平衡，从而输出交流电压信号。

此信号先经过交流放大器将电压进行放大，此信号先经过交流放大器将电压进行放大，再经过相敏检波器和低通滤波器检出直流电再经过相敏检波器和低通滤波器检出直流电压、并滤掉交流分量，最后得到直流电压输压、并滤掉交流分量，最后得到直流电压输出信号，它的幅值随着电容的变化而变化。

出信号，它的幅值随着电容的变化而变化。

电桥的输出电压为：

4.2.2变压器电桥电路变压器电桥电路图图4-8所示为电容式传感器接入变压器电桥测量电路，所示为电容式传感器接入变压器电桥测量电路，它可分为单臂接法和差动接法两种。

它可分为单臂接法和差动接法两种。

（a）单臂接法）单臂接法（b）差动接法）差动接法图图4-8变压器电桥电路变压器电桥电路u

（1）单臂接法）单臂接法图图4-8（a）所示为单臂接法的变压器桥式测量电所示为单臂接法的变压器桥式测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容角线上，电容构成电桥的构成电桥的四个臂，其中四个臂，其中为电容传感器。

为电容传感器。

当传感器未工作时，交流电桥处于平衡状态，当传感器未工作时，交流电桥处于平衡状态，有：

有：

此时，电桥输出电压此时，电桥输出电压。

当当改变时，改变时，电桥有输出电压，从，电桥有输出电压，从而可测得电容的变化值。

而可测得电容的变化值。

u

（2）差动接法）差动接法变压器电桥测量电路一般采用差动接法，如变压器电桥测量电路一般采用差动接法，如图图4-8（b）所示。

以差动形式接入相邻以差动形式接入相邻两个桥臂，另外两个桥臂为次级线圈。

在交两个桥臂，另外两个桥臂为次级线圈。

在交流电路中，流电路中，的阻抗分别为：

的阻抗分别为：

则有，则有，故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为4.2.3双双T形电桥电路形电桥电路双双T形电桥电路如图形电桥电路如图4-9（a）所示，高频电源所示，高频电源u提供幅提供幅值为值为U的方波。

的方波。

a）双）双T型电桥连接型电桥连接（b）正半周）正半周（c）负半周）负半周4.2.4运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路的原理图如图运算放大器式测量电路的原理图如图4-10所示。

电所示。

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。

出端之间。

由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗很高，可认为是一个理想运算放大器。

则输出电压很高，可认为是一个理想运算放大器。

则输出电压为：

可见，运算放大器的输出电压可见，运算放大器的输出电压与极板间距离与极板间距离成线性关系。

运算放大器电路解决了单个变极板间成线性关系。

运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，但要求运算放大距离式电容传感器的非线性问题，但要求运算放大器的开环放大倍数和输入阻抗都足够大。

器的开环放大倍数和输入阻抗都足够大。

理想运算放大器的开环放大倍数理想运算放大器的开环放大倍数，且输入，且输入阻抗阻抗。

为保证仪器精度，还要求电源电压。

为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容的幅值和固定电容值稳定。

值稳定。

4.2.5调频电路调频电路调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成调频电路是将电容式传感器的电容与电感元件构成振荡器的谐振回路。

其测量电路原理框图如图振荡器的谐振回路。

其测量电路原理框图如图4-11所示