电容式传感器ppt课件.ppt

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第4章电容式传感器4.14.1电容式传感器工作原理及分类电容式传感器工作原理及分类4.24.2测量电路测量电路4.34.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用1F=101F=1066F=10F=1099nFnF=10=101212pFpF电容式传感器是将被测量的变化转换为电容电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。

辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。

电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、液位、厚度。

液位、厚度。

4.14.1电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理C=C=.S/d.S/d=0.r.S/d.S/d=0.rCC为电容为电容0=8.8510=8.8510-12-12F/mF/mr为相对介电常数为相对介电常数用用SS为极板相对覆盖面积为极板相对覆盖面积mm22dd为极板间距为极板间距电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介电常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移电常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移式、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常式、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常数式、圆筒介电常数式。

数式、圆筒介电常数式。

4.14.1电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理4.1.14.1.1变变面面积积式式电电容容传传感感器器变变面面积积式式电电容容传传感感器器的的两两个个极极板板中中，一一个个是是固固定定不不动动的的，称称为为定定极极板板，另另一一个个是是可可移移动动的的，称称为为动动极板。

极板。

11直线位移式直线位移式电容的相对变化量和灵敏度为电容的相对变化量和灵敏度为为为提提高高测测量量精精度度，也也常常用用如如图图4.34.3所所示示的的结结构构形形式式，以以减减少少动动极极板板与与定定极极板板之之间间的的相相对对极极距距可可能能变变化化而引起的测量误差。

而引起的测量误差。

图4.2变面积型电容传感器原理图图4.3中间极板移动变面积式电容传感器原理图4.14.1电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理22角位移式角位移式当当被被测测的的变变化化量量使使动动极极板板有有一一角角位位移移q时时，两两极极板板间间互互相相覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量C。

图4.4角位移式电容传感器原理图图4.5差动角位移式电容传感器原理图在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵敏度。

角位移测量用的差动式结构如图敏度。

角位移测量用的差动式结构如图4.54.5所示。

所示。

4.1.24.1.2变变间间隙隙式式电电容容传传感感器器基本结构电容的相对变化量和灵基本结构电容的相对变化量和灵敏度分别为敏度分别为差动式电容的相对变化量和灵敏度差动式电容的相对变化量和灵敏度分别为分别为与基本结构间隙式传感器相比，与基本结构间隙式传感器相比，差动式传感器的非线性误差减少了一个差动式传感器的非线性误差减少了一个数量级，而且提高了测量灵敏度，所以数量级，而且提高了测量灵敏度，所以在实际应用中被较多采用。

在实际应用中被较多采用。

图4.6基本的变间隙式电容传感器图4.7差动结构的变间隙电容传感器4.1.34.1.3变变介介电电常常数数式式电电容容传传感器感器11平面式平面式电容变化量电容变化量DC与位移与位移DDx呈线性关系。

呈线性关系。

若若被被测测介介质质的的介介电电常常数数eexx已已知知，测测出出输输出出电电容容C的的值值，可可求求出出待待测测材材料料的的厚厚度度x。

若若厚厚度度x已已知知，测测出出输输出出电电容容C的的值值，也也可可求求出出待待测测材材料料的的介介电电常常数数eexx。

因因此此，可可将将此此传传感感器器用用作作介电常数介电常数eexx测量仪。

测量仪。

图4.8平面式测位移传感器图4.9测厚仪22圆柱式圆柱式电介质电容器大多采用圆柱式。

电介质电容器大多采用圆柱式。

其基本结构如图其基本结构如图4.104.10所示，内外筒为两所示，内外筒为两个同心圆筒，分别作为电容的两个极。

个同心圆筒，分别作为电容的两个极。

如图如图4.114.11所示为一种电容式液面所示为一种电容式液面计的原理图。

在介电常数为计的原理图。

在介电常数为eexx的被测液的被测液体中，放入该圆柱式电容器，液体上面体中，放入该圆柱式电容器，液体上面气体的介电常数为气体的介电常数为ee，液体浸没电极的液体浸没电极的高度就是被测量高度就是被测量x。

液面计的输出电容液面计的输出电容C与液面高度与液面高度x成成线性关系。

线性关系。

图4.10圆柱式电容器结构图图4.11电容式液面计4.24.2测量电路测量电路4.2.14.2.1调幅型电路调幅型电路11交流电桥电路交流电桥电路（11）单臂桥式电路）单臂桥式电路（22）差动接法变压器交流电桥电路）差动接法变压器交流电桥电路图4.12单臂接法交流电桥电路图4.13变压器交流电桥电路22运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为采采用用基基本本运运算算放放大大器器的的最最大大特特点点是是电电路路输输出出电电压压与与电电容容传传感感器器的的极极距距成成正正比比，使使基基本本变变间间隙隙式式电电容容传传感感器器的的输输出出特特性性具具有有线线性性特特性。

性。

图4.14运算放大器式测量电路图4.15调零电路4.2.24.2.2差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路电电路路的的工工作作原原理理：

利利用用传传感感器器电电容容充充放放电电，使使电电路路输输出出脉脉冲冲的的占占空空比比随随电电容容传传感感器器的的电电容容量量变变化化而而变变化化，再再通通过过低低频频滤滤波波器器得到对应于被测量变化的直流信号。

得到对应于被测量变化的直流信号。

图4.16差动脉冲宽度调制电路（a）C1=C2（b）C1C2图4.17电路各点的充放电波形当电阻当电阻R11=R2=R时，则有时，则有由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。

由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。

4.2.34.2.3调频电路调频电路11载波频率改变的调幅调频式载波频率改变的调幅调频式该该测测量量电电路路把把电电容容式式传传感感器器与与一一个个电电感感元元件件配配合合，构构成成一一个个振振荡荡器器谐谐振振电电路路。

当当传传感感器器工工作作时时，电电容容量量发发生生变变化化，导导致致振振荡荡频频率率产产生生相相应应的的变变化化。

再再经经过过鉴鉴频频电电路路将将频频率率的的变变化化转转换换为为振振幅幅的的变变化化，经经放放大器放大后即可显示，这种方法称为调频法。

大器放大后即可显示，这种方法称为调频法。

调频振荡器的振荡频率调频振荡器的振荡频率图4.18调频-鉴频电路原理图4.34.3实际中存在的问题及其解决办法实际中存在的问题及其解决办法11温度影响温度影响应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板，如应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板，如铁镍合金；此外，应采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。

铁镍合金；此外，应采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。

极板支承架应选择绝缘性能良好的材料，如陶瓷、石英等高极板支承架应选择绝缘性能良好的材料，如陶瓷、石英等高绝缘电阻、低吸湿性材料。

绝缘电阻、低吸湿性材料。

图4.19极板周边加装同心圆环示意图22电场的边缘效应电场的边缘效应增加极板面积和减小极间距离可减增加极板面积和减小极间距离可减小边缘效应的影响；当检测精度要求很小边缘效应的影响；当检测精度要求很高时，可考虑加装等位环，如图高时，可考虑加装等位环，如图4.194.19所所示，即在极板周边外围的同一平面上加示，即在极板周边外围的同一平面上加装一个同心圆环，致使极板周边极间电装一个同心圆环，致使极板周边极间电场分布均匀，以消除边缘效应的影响。

场分布均匀，以消除边缘效应的影响。

33寄生电容的影响寄生电容的影响（11）减小引线长度。

）减小引线长度。

（22）屏蔽。

）屏蔽。

4.44.4电容式传感器的应用电容式传感器的应用11电容式位移传感器电容式位移传感器采用了差动式结构。

当测量杆随被测位移运动而带动活动电采用了差动式结构。

当测量杆随被测位移运动而带动活动电极位移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，极位移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其电容量也相应产生变化。

其电容量也相应产生变化。

图4.20变面积式位移传感器结构图22电容式压力传感器电容式压力传感器该压力传感器可用于测量微小压差。

该压力传感器可用于测量微小压差。

33电容测厚仪电容测厚仪电电容容测测厚厚仪仪的的关关键键部部件件之之一一就就是是电电容容测测厚厚传传感感器器。

在在板板材材轧轧制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况。

制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况。

图4.21差动电容式压力传感器原理图图4.22电容测厚仪工作原理小结变电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传变电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器。

它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好感器。

它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好等优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。

等优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。

只要固定平行板电容器只要固定平行板电容器33个参量个参量dd、SS、ee中的两个，只要另外一中的两个，只要另外一个参数改变，则电容量就将产生变化，所以电容式传感器可以分个参数改变，则电容量就将产生变化，所以电容式传感器可以分成成33种类型：

变面积式、变间隙式与变介电常数式。

种类型：

变面积式、变间隙式与变介电常数式。

电容传感器的输出电容值一般十分微小，几乎都在几皮法至几电容传感器的输出电容值一般十分微小，几乎都在几皮法至几十皮法之间，因而必须借助于一些测量电路，将微小的电容值成十皮法之间，因而必须借助于一些测量电路，将微小的电容值成比例地转换为电压、电流或频率信号。

选择测量电路时，可根据比例地转换为电压、电流或频率信号。

选择测量电路时，可根据电容传感器的变化量，选择合适的电路。

电容传感器的变化量，选择合适的电路。

由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的影响，可能使由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的影响，可能使电容传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作，因此使用电容传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作，因此使用时要引起注意。

时要引起注意。

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