1、第7章 電容式傳感器,一、基本原理和結(jié)構(gòu)類型,二、輸入輸出特性,三、等效電路分析,四、測量電路,五、電容傳感器的一些特殊問題,六、電容式傳感器的應(yīng)用,電容器是電子技術(shù)的三大類無源元件(電阻、電感和電容)之一，利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)化為電容量，進(jìn)而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件稱為電容式傳感器。電容式傳感器已在位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。電容式傳感器作為頻響寬、應(yīng)用廣、非接觸測量的一種傳感器，是很有發(fā)展前途的。,一、基本原理和結(jié)構(gòu)類型,典型的電容式傳感器中的電容通常做成平行平面形或平行曲面形。 以平行平面電容器為例分析，當(dāng)極板的集合尺

2、寸（長和寬）遠(yuǎn)大于極間距離和介質(zhì)均勻條件下（此時電場的邊緣效應(yīng)可忽略），平行平面電容器電容為,式中： 兩個極板相互覆蓋的面積； 兩個極板間的距離； 極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（空氣或真空的介電 常數(shù)為 ）,由上式可知，電容量取決于 、 、 三個參數(shù)，如果讓其中一個參數(shù)隨被測量變化而變化，保持其余兩個參數(shù)不變，這樣就能使電容量與被測量有單值的函數(shù)關(guān)系，從而把被測量變化轉(zhuǎn)換為電容器電容的變化，這就是電容式傳感器的基本工作原理。 按被測量所改變的電容器的參數(shù)來分，電容式傳感器可分為：變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型；按被測位移分，可分為角位移式和線位移式；按組成方式可分為單一式和差動式，按電容極板形狀

3、分，與平板電容和圓筒電容或平行平面與平行曲面型。,二、輸入輸出特性,變極距型電容式傳感器 單一式 設(shè)初始時，電容值為,圖7-1 單一式變極距型電容式傳感器,當(dāng)被測量變化使動極板上移時，電容值為,差動式,圖7-2 差動式變極距型電容式傳感器,當(dāng)動極板位移時，,利用上式：,兩個電容分別為,由上面兩式可得，差動式變極距型電容傳感器的差動電容公式為,具有固體介質(zhì)的變極距型電容式傳感器,圖7-3 具有固體介質(zhì)的變極距型電容式傳感器,電容器的初始電容為,如果氣隙 減小 了，電容 將增大 ， 變?yōu)?變面積型電容式傳感器 1.線位移式變面積型： 單一式,初始電容 在保持d不變的前提下，動極板沿長度方向平移后，

4、則電容量變?yōu)?圖7-4 單一式線位移式變面積型電容式傳感器,差動式,圖7-5 差動式線位移式變面積型電容式傳感器,2.角位移式變面積型（差動結(jié)構(gòu)） 扇形結(jié)構(gòu),圖7-6 扇形結(jié)構(gòu)角位移式變面積型電容式傳感器,初始時,后，差動電容分別為,所以差動式變面積型電容傳感器的差動電容公式為,動極板轉(zhuǎn)動,柱面形結(jié)構(gòu),圖7-7 柱面形結(jié)構(gòu)角位移式變面積型電容式傳感器,初始時,動極板轉(zhuǎn)動,后，差動電容分別為,變介質(zhì)型（差動式）,兩電容極板之間的介質(zhì)變化引起電容變化，常見有兩種情況：一是兩電容極板之間只有一種介質(zhì)，介質(zhì)的介電常數(shù)隨被測非電量（如溫度、濕度）而變化，電容式溫度傳感器和電容式濕度傳感器就屬于這種情況；

5、二是兩電容極板之間有兩種介質(zhì)，兩介質(zhì)的位置或厚度變化，電容式位移傳感器、電容式厚度傳感器、電容式物（液）位傳感器就屬于這種情況。,1.電容式位移傳感器,圖7-8 電容式位移傳感器,初始時固體介質(zhì)居中，有,所以，當(dāng)固體介質(zhì)偏離中間位置 時，差動電容公式為,2.電容液面計,圖7-9 電容液面計 1、2圓柱狀極板,氣體介質(zhì)間的電容量C2和液體介質(zhì)間的電容量C1，分別為： 總電容量為兩電容并聯(lián)，由上面兩式得：,令 則上式可寫成下列形式： C=A+BL1 可見，電容量C與深度L1成比例關(guān)系。,三、等效電路分析,等效電路,圖7-10 等效電路,引線電感的影響,如果改變激勵頻率或更換連接電纜時須重新進(jìn)行標(biāo)定

6、。,四、測量電路,電容式傳感器將位移等非電量轉(zhuǎn)換為電容的變化，為了將電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓或頻率，還須選擇適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?。選擇的基本原則是盡可能使輸出電壓或頻率與被測非電量成線性關(guān)系。,圖7-11 比例運算法電路,比例運算法電路,若為恒電壓激勵電路，應(yīng)用于單一的變面積式電容傳感器時，其特點是輸出電壓與被測電容Cx成正比 將 代入上式中得 可見，輸出電壓與被測位移 成線性關(guān)系。,電阻平衡臂交流電橋,圖7-12 電阻平衡交流電橋,差動脈沖調(diào)寬電路,圖7-13 差動脈沖調(diào)寬電路,二極管環(huán)形電橋,a) 原理電路 b)改進(jìn)電路 圖7-14 二極管環(huán)形電橋,調(diào)頻電路,圖7-15 調(diào)頻電路,五、電容傳感器的一些特殊問題,用加云母片的辦法提高靈敏度,電容傳感器中一些量的變化范圍 在電容傳感器中，正確選擇電容的大小是很重要的。合理的設(shè)計既可使傳感器滿足測量范圍的要求，又可以提高靈敏度，減小非線性誤差。,提高靈敏度的一些措施 為了提高電容傳感器的靈敏度，減小外界干擾、寄生電容和漏電的影響及減小線性度誤差，可采用下列措施：提高電源頻率；用雙層屏蔽線，將電路(例如集成電路)向電容傳感器裝在一個殼體中，可減小寄生電容和外界干擾的影響；減小極板厚度可削弱邊緣效應(yīng)。,六、電容式傳感器的應(yīng)用,電容式測厚儀,圖7-16 電容式厚度測量原理,電容式（位移式）差壓傳感器,圖7-18 電容式差壓傳感器的兩