电容式传感器的测量电路引言课件.ppt

1、第5章 电容式传感器 第5章 电容式传感器 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性5.3 电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 第5章 电容式传感器 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 dSC（5-1） 极板间介质的介电常数，极板间介质的介电常数，=0r，0为真空介电常数，为真空介电常数，r极板

2、间介质的相对介电常数；极板间介质的相对介电常数； S 两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积； d两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。 第5章 电容式传感器 工作原理工作原理:当被测参数变化 S、 d或发生变化时C随之变化。当保持参数中两个不变，一个变 转换为电容量的变化通过测量电路就可转换为电量输出。 dSC第5章 电容式传感器 分类分类:分为变极距型、 变面积型和变介电常数型三种。图5-1所示为常用电容器的结构形式。图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型，图(a)和(e)为变极距型， 而图(i)(l)则为变介电常数型。 图5-1 电容式传感元件的各种结构

3、形式第5章 电容式传感器 5.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 图 5-2为原理图。当传感器的r和S为常数，初始极距为d0时，由式（5-1）可知其初始电容量C0为 000dSCr（5-2） 若极板间距离由若极板间距离由d0缩缩d，电容量增大了，电容量增大了C，则有，则有 200000000111ddddCddCddSCCCr（5-3） Ard图图5-2 变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器 第5章 电容式传感器 图图5-3 电容量与极板间距离的关系电容量与极板间距离的关系 CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d传感器的输出特性非线性关系第5章 电容式传感器 式（5-3）中若

4、d/d01时，1-(d/d0)21，则式 000ddCCC（5-4） Cd近似呈线性关系变极距变极距型电容式传感器只有在型电容式传感器只有在d/d0很小时，很小时，才有近似的线性关系才有近似的线性关系。200000000111 ddddCddCddSCCCr（5-3）第5章 电容式传感器 000ddSCgg（5-5） g云母的相对介电常数云母的相对介电常数g=7； 0空气的介电常数，空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度；空气隙厚度； dg云母片的厚度。云母片的厚度。 当当d0较小较小对于同样的对于同样的d变化变化引起的引起的C可以增大可以增大传传感器灵敏度提高。但感器灵敏度提高。但d0过小

5、过小容易引起电容器击穿或短路容易引起电容器击穿或短路极极板间可采用高介电常数的材料（云母、板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质塑料膜等）作介质, 如如图图 5-4 所示，此时电容所示，此时电容C变为变为 图图5-4 放置云母片的电容器放置云母片的电容器gdgd00第5章 电容式传感器 云母片的g=70，其击穿电压1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。式（5-5）中dg/0g=C. 使传感器的输出特性的线性度得到改善 一般起始电容C=20100pF，极板间距离d=25200m 。最大位移应1/10d广泛应用于微位移测量。 第5章

6、电容式传感器 5.1.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 图图5-5原理结构示意图。原理结构示意图。 被测量通过动极板移动被测量通过动极板移动引起两极板有效覆引起两极板有效覆盖面积盖面积S改变改变从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移平移x时，则电容变化量为时，则电容变化量为 0000rrrCCCax babb xddd (5-6) 式中式中C0=0r ba/d为初始电容。为初始电容。电容相对变化量为电容相对变化量为 axCC0(5-7) 电容量电容量C水平位移水平位移x呈线性关系。呈线性关系。 图图5-5 变面积

7、型电容传感器原理图变面积型电容传感器原理图 bxadxS第5章 电容式传感器 当动极板有一个角位移当动极板有一个角位移时，与定极时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当变了两极板间的电容量。当=0时，则时，则 0000dSCr(5-8) r介质相对介电常数；介质相对介电常数； d0两极板间距离；两极板间距离； S0两极板间初始覆盖面积。两极板间初始覆盖面积。 图图5-6 电容式角位电容式角位移传感器原理图移传感器原理图 动极板定极板当当0时时000001CCdSCr（5-9） C与角位移与角位移呈线性关系。呈线性关系。 电容式角

8、位移传感器原理图电容式角位移传感器原理图第5章 电容式传感器 5.1.3 变极板间介质型电容式传感器变极板间介质型电容式传感器 用于测量液位高低的结构原理图用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为。设被测介质的介电常数为1，液面高度为液面高度为h, 变换器总高度为变换器总高度为H，内筒外径为，内筒外径为d，外筒内径为，外筒内径为D，此时，此时变换器电容值为变换器电容值为 111022()112()2()2111hHhCDDnnddhhHCDDDnnnddd空气介电常数；空气介电常数； C0由变换器的基本尺寸由变换器的基本尺寸决定的初始电容值决定的初始电容值, 即即 dDnHC120

9、(5-10) 图图5-7 电容式液位变电容式液位变换器结构原理图换器结构原理图 DdHh1电容增量正比于被测液位高电容增量正比于被测液位高h第5章 电容式传感器 用途用途:可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度， 也可用来也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。02010021)(dLLLbCCCrr(5-11) 图图5-8 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器 L0Ld0r1r2L0和和b0极板的长度和宽度；极板的长度和宽度； L第二种介质进入极板间的长度第二种介质进入极板间的长度 若电介

10、质若电介质r1=1, 当当L=0时，传时，传感器初始电容感器初始电容C0=0rL0b0/d0。图5-8是一种常用的结构形式。 图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量C为 第5章 电容式传感器 02000) 1(LLCCCCCr(5-12) 电容量的变化与电介质r2的移动量L成线性关系。 当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 第5章 电容式传感器 表表5-1 电介质材料的相对介电常数电介质材料的相对介电常数 第5章 电容式传感器 5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏

11、度及非线性由式（由式（5-4）可知，）可知， 电容的电容的相对变化量为（变极距型电相对变化量为（变极距型电容传感器）容传感器） 0001ddddCC(5-13) 当|d/d0|1时，上式可按级数展开，可得 30200001ddddddddCC(5-14) 第5章 电容式传感器 由式（5-14）输出电容的相对变化量输出电容的相对变化量C/C0与输入位移与输入位移d之间成非线性关系之间成非线性关系，当|d/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系， 如下式所示： 00ddCC(5-15) 电容传感器的灵敏度为 001/ddCCK(5-16) 单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比

12、关系。 第5章 电容式传感器 如果考虑式（如果考虑式（5-14）中的线性项与二次项，）中的线性项与二次项， 则则 0001ddddCC(5-17) 传感器的相对非线性误差为 %100%100|/|)/(0020dddddd(5-18) 可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性，但非线性误差却随着误差却随着d0的减小而增大。的减小而增大。 第5章 电容式传感器 实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构差动式结构。图5-9是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。 在差动式平板电容器中，当动极板上移d时，电容器C1的间隙d1变

13、为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d, 则 002001/11/11ddCCddCC(5-19) (5-20) 00d1d2C1C2S图图5-9 差动平板式电差动平板式电容传感器结构图容传感器结构图 第5章 电容式传感器 在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 则有 10UddUo（5-43） 第5章 电容式传感器 同样， 在变面积电容传感器中， 则有 1USSUo（5-44） 差动脉宽调制电路的特点差动脉宽调制电路的特点:适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。 第5

14、章 电容式传感器 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 5.5.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 图图5-17 差动式电容压力传感器结构图差动式电容压力传感器结构图 外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器第5章 电容式传感器 差动电容式压力传感器的结构图差动电容式压力传感器的结构图:膜片动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层固定电极，构成差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时形成两个电容器的电容量，一个增大， 一个减小 该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器第5章 电容式传感器 5.5.2 电容式加

15、速度传感器电容式加速度传感器 图图5-18 差动式电容加速度传感器结构图差动式电容加速度传感器结构图 621C1C25d1d2431固定电极；2绝缘垫；3质量块；4弹簧；5输出端；6壳体第5章 电容式传感器 电容式加速度传感器的电容式加速度传感器的主要特点主要特点:频率响应快、频率响应快、量程范围大，量程范围大， 大多采用大多采用空气或其它气体作阻尼空气或其它气体作阻尼物质。物质。 621C1C25d1d2431固 定 电 极 ；2绝 缘 垫 ；3质 量 块 ；4弹 簧 ；5输 出 端 ；6壳 体 工作原理工作原理:当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作

16、直线加速运动时，动时， 质量块在惯性空间中相对静止质量块在惯性空间中相对静止两个固定电极将相对于质两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移此位移使两此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小从而使从而使C1、C2产生产生大小相等、符号相反的增量，此增量大小相等、符号相反的增量，此增量被测加速度。被测加速度。 第5章 电容式传感器 5.5.3 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器用途用途:用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测工作原理工作原理:在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等

17、， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极， 而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化， 将引起电容量的变化， 用交流电桥将电容的变化测出来， 经过放大即可由电表指示测量结果。 音 频 信 号 发 生 器音 频 放 大 器全 波 整 流 器差 动 放 大 器C0C1C2RRCT第5章 电容式传感器 图 5-19 差动式电容测厚仪系统组成框图 音频信号发生器音频放大器全波整流器差动放大器C0C1C2RRCT测量原理框图（图测量原理框图（图5-19 ）:音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容C0和带材与极板形成的被测电容Cx(Cx=C1+C2)组成。 电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大， 即可用指示电表指示出带材厚度的变化。