电气测试技术第4版课件3.4电容式传感器.pptx

1、电气测试技术 电气测试技术（第电气测试技术（第4版）版）万频 林德杰 李学聪电气测试技术 3.4 电容式传感器电容式传感器 3.4.1 电容式传感器的工作原理极其特性 3.4.2 测量电路 3.4.3 电容传感器的特点及其应用范围电气测试技术 3.4.1 电容式传感器的工作原理极其特性图3-60 平板电容器原理 图3-60为平板电容器原理图，若忽略其边缘效应，其电容量C为：+dA dAC0d d、A A或或发生变化时，发生变化时，都会引起电容的变化。都会引起电容的变化。电气测试技术 3.4.1.1 变气隙式电容传感器及其特性 图3-60中，设在被测量作用下，动极板向上移动d，其电容量增加，电容

2、变化量为：式中，C0 为初始电容量，。在 时，将上式展开成麦克劳林级数：若动极板向下位移d，同理可得：110000ddddCCCC00/dAC1/0dd)()(302000ddddddCC101000dddddCCCC)()(302000ddddddCC电气测试技术 由式（3-71）和式（3-72）可见，变气隙式电容传感器的特性是非线性的。若 ，忽略高次方非线性，方可认为其特性是线性的，即：因此，可得其灵敏度为：变气隙式传感器的特点是灵敏度高，但非线性严重，通常取之间。1/0dd00ddCC00dCdCk电气测试技术 3.4.1.2 变面积式电容传感器及其特性1.角位移变面积型角位移变面积型

3、见图3-61a，当转动动片一个角度，遮盖面积发生变化，电容量也随之改变。当=0时，其电容量为：当0时，其灵敏度为：图3-61 变面积式电容传感器变面积式电容传感器的结构见图3-61。dAC0)/1()/1(00CdAC0CddCk电气测试技术 2.板状线位移变面积型板状线位移变面积型 见图3-61b，当动板沿箭头所示方向移动x时，传感器的电容量为：其灵敏度为3.筒状线位移变面积型筒状线位移变面积型 见图3-61c，当动板圆筒沿轴向移动x时 其灵敏度为：)1()(0lxCdxlbCxdbdxdCkx)1()1()/ln(2)/ln()(20lxClxrRlrRxlCxlCk0电气测试技术 3.4

4、.1.3 变介电常数式电容传感器及其特性 当电容极板之间的介电常数发生变化时，电容量也随之发生变化，根据这一原理可构成变介电常数式电容式传感器。可用以测量物位，含水量及成分分析等。图3-62为变介电常数式电容液位传感器原理图。当被测液面在同心圆筒间变化时，传感器电容随之变化，其容量为：图3-62 电容式液位传感器原理图)(ln2ln2ln2ln)(2011212012112010RRxRRhRRxRRxhCCC电气测试技术 3.4.1.4 差动电容传感器及其特性上述变气隙式、变面积式和变介电常数式三种电容传感器均可制成差动电容传感器。由于变气隙式电容传感器的非线性严重，实际上是很少使用的，通常

5、制成差动型式。由于篇幅所限。仅介绍变气隙式差动传感器及其特性，其结构见图3-63。差动电容传感器的输出电容变化量 ，得：图3-63 变气隙式差动电容传感器原理21CCC)()(250300021ddddddCCCC由上式可见，变气隙式差动电容传感器仅含奇次方的非线性，因此其线性度得到很大程度的改善。电气测试技术 3.4.2 测量电路 电容式传感器的测量电路的种类很多，目前较常用的有电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等。3.4.2.1 电桥电路 电容式传感器常用交流电桥和变压器电桥作为测量电路。图3-64 电容式自动平衡液位测量仪原理框图例3-6 图3-64是电容式自动平衡液位测

6、量仪原理框图，试求指针偏转角与液位h的表达式。电气测试技术 解解：由图可见，当h=0时，CX=CX0=C0，且电位器RP（阻值RP）的电刷在O点，即R=0，此时电桥应平衡，桥路输出电压Uac=0，则 当液位为h时，CX=CX0+C，C=k1h，k1为电容传感器的灵敏度。此时Uac0，经放大后，使单相电动机转动，经减速后带动指针转动，同时带动电位器的电刷移动，直到Uac=0，系统重新平衡为止，此时3400RRCCx3400RRRCCCx联立求解上面两式得：hkCRCCRR10303电气测试技术 由于指针转角与电位器电刷同轴相连，它们间的关系为：=k2R 因此 其中，k2为比例系数可见，指针偏转转

7、角与液位高度h成比例。hkkCR2103电气测试技术 3.4.2.2 调频电路 将电容式传感器的电容接入LC高频振荡电路，将电容的变化转换成振荡频率受传感器电容的调制，因此称为调频电路，其工作原理见图3-65。图3-65 调频电路原理图电气测试技术 3.4.2.3 差动脉冲调宽电路图3-66 差动脉冲调宽电路图3-67 差动脉冲调宽电路的输出波形电气测试技术 3.4.2.4 运算放大器电路图3-68 运算放大器电路dACUUo0 由右式及图3-68可见，输出电压与动极板的位移d成线性关系，从原理上克服了单个变气隙式电容传感器特性的非线性误差问题。需要指出的是，由于增益k，且输入阻抗Zi，所以仍

8、然具有一定的非线性误差。为了防止干扰和减小杂散分布电容的影响，必须采取特殊措施即所谓的驱动电缆技术。电气测试技术 3.4.3 电容传感器的特点及其应用范围 电容传感器的特点是：结构简单，灵敏度高，分辨率高，能感受0.01 甚至更小的位移，无反作用力，需要的动作能量低，动态响应好，可实现无接触测量，能在恶劣的环境下工作；缺点是：输出特性非线性，受分布电容影响大。但是，随着新工艺，新材料问世，特别是电子技术的发展，使干扰和寄生电容等问题不断得到解决，因此越来越广泛地应用于各种测量中。电容传感器可以用来测量直线位移、角位移、振动振幅（可测至0.05 微小振幅），尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。还可用来测量压力、差压、液位、料面、成分含量（如油、粮食、木材的含水量）及非金属材料的涂层、油膜等的厚度。此外，也可以用来测量电介质的温度、密度、厚度等。电气测试技术 电容传声器图3-69 电容式传声器结构1-毛细孔 2-内腔 3-背极板 4-膜片 5-阻尼孔 6-绝缘体 7-壳体 8-引线电气测试技术 电气测试技术 Thank you！