1、1,4.4 電容式傳感器,采用電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。,實(shí)際上是一個 具有可變參數(shù) 的電容器,電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、物位、壓力、成份分析、介質(zhì)特性等方面的測量。,2,學(xué)習(xí)要點(diǎn),1.掌握電容式傳感器的類型（根據(jù)工作原理）、特點(diǎn)及其應(yīng)用； 2.了解電容式傳感器的測量電路； 3.了解電容式傳感器的特點(diǎn)； 4.了解電容式傳感器的應(yīng)用,3,1. 工作原理及類型,用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時其電容C為：,、A或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。,4,（1） 極距變化型,變極距型傳感器常常是一塊極板固定而使另一塊極板移動，從而改變極

2、距以引起電容的變化。,因此電容器傳感器的靈敏度為：,靈敏度與極距的平方值成反比，極距越小時靈敏度越高。 為減小非線性誤差，該類傳感器通常用于測量微小位移。,5,為減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作以便獲得近似的線性關(guān)系。一般取極距變化范圍為 減小可以提高靈敏度。但過小易導(dǎo)致電容器擊穿?？稍跇O間加一層云母片或塑料膜來改善電容器耐壓性能。,6,為提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件（如電源電壓、環(huán)境溫度等），常采用差動式結(jié)構(gòu)。,在零點(diǎn)位置上設(shè)置一個可動的接地中心電極，它離兩塊極板的距離均為,7,設(shè)可動極板上移 ，則 增大， 減小。,電容的總變化量為：,靈敏度為：,可見，采用

3、差動式電容傳感器，靈敏度提高一倍，非線性得到改善。,變極距型差動電容傳感器,8,（2） 面積變化型,9,A ) 角位移式電容傳感器,可見，電容值與角位移 呈線性關(guān)系。,此時，傳感器的靈敏度k為：,當(dāng)動板有一轉(zhuǎn)角 時，由于覆蓋面積變化，電容量改變。,10,B ) 直線位移式電容傳感器,當(dāng)可動極板移動距離x時，面積S發(fā)生變化，電容量：,傳感器的靈敏度為：,11,C ) 圓柱體線位移式電容傳感器,隨動板圓柱的位移，定板圓柱與動板圓柱之間的覆蓋面積發(fā)生變化，從而電容量發(fā)生變化。,兩個同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：,當(dāng)覆蓋長度變化時，,通過A）B）C）的分析可得出結(jié)論：變面積式電容傳感器的靈敏度

4、為常數(shù)，即具有良好的線性，但靈敏度較變極距型低。大多數(shù)用來檢測較大直線位移及角位移等參數(shù)。,變面積式電容傳感器也采用差動形式，可使靈敏度提高一倍。,12,（3） 介質(zhì)變化型,當(dāng)電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。,這類傳感器常用做檢測容器中片狀材料的厚度、液面高度等，也可用來測量介質(zhì)材料的濕度、介電常數(shù)等。,A ) 電容測厚儀,這種傳感器的電容量等于兩個電容 和 相串聯(lián),13,此時 為空氣相對介電常數(shù)， 為待測體的相對介電常數(shù)，當(dāng)厚度 不變時，此電容傳感器可作為介電常數(shù)測量儀。,如果待測體的介電常數(shù) 不變時，可作測厚儀使用。,14,B ) 電容液面計(jì),兩個同

5、軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：,這類傳感器常常采用同軸圓筒電極組成的電容器作為測量裝置。,15,設(shè)容器中介質(zhì)是不導(dǎo)電液體（如果是導(dǎo)電液體，則電極需絕緣）,總的電容 相當(dāng)于上方氣體介質(zhì)間的電容量 和液體介質(zhì)間電容量 之和（相并聯(lián)）。,可見，同軸圓筒電容傳感器的電容量與液位成線性關(guān)系。,16,電容式傳感器的電容值一般十分微小，不便于直接顯示、記錄和傳輸。因此，必須借助于測量電路檢測出這個微小的電容變量，并轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。,2. 電容式傳感器的測量電路,與電容式傳感器配用的測量電路很多，常用的有橋式電路、調(diào)頻振蕩電路、運(yùn)算放大器式電路和脈沖調(diào)寬型電路等幾種。,17,（一） 交流電橋

6、,電容傳感器阻抗,18,電橋初始平衡條件：,當(dāng)被測參數(shù)引起傳感器阻抗變化 時，,代入初始平衡條件，化簡：,對于電容傳感元件來說，有如下關(guān)系：,19,變壓器式交流電橋,變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。 差動式電容傳感器接入變壓器式電橋，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時，對任何類型的電容式傳感器，電橋輸出電壓與輸入位移均成線性關(guān)系。,20,（二） 調(diào)頻振蕩電路,這種電路是把電容傳感器作為振蕩器電路的一部分，當(dāng)被測量變化而使電容量發(fā)生變化時，能使振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。由于振蕩器的頻率受電容傳感器的電容調(diào)制故稱為調(diào)頻電路。,這種電路具有抗干擾性強(qiáng)，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)； 但缺點(diǎn)是電纜電容的影

7、響較大。,21,（三） 運(yùn)算放大器電路,當(dāng)運(yùn)放的輸入阻抗很高，增益很大時，認(rèn)為輸入電流 ，則,從原理上解決了使用單個變間隙型電容傳感器輸出特性的非線性。,該電路要求固定電容 必須穩(wěn)定，信號源電壓必須采取穩(wěn)壓措施,22,（四）脈沖調(diào)寬型電路,該電路由比較器A1 A2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。,C1、C2為差動電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端A、B作為差動脈沖寬度調(diào)制電路的輸出。,寬度受C1、C2調(diào)制的方波脈沖,23,設(shè)充電電阻,由于C1、C2大小不同，導(dǎo)致差動電容的充電時間不同，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端的方波脈沖寬度不同。,各點(diǎn)電壓波形圖,24,特點(diǎn)：,1. 不需要附加調(diào)制器即能獲得直流輸出

8、；,2. 輸出信號一般為100kHz1MHz的矩形波，所以直流輸出只需要經(jīng)過低通濾波器簡單引出；,25,3. 電容式傳感器的應(yīng)用,（一）電容測厚儀,當(dāng)被軋板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則 發(fā)生變化。 增大，表示板材厚度變厚； 減小，表示板材厚度變薄。 的變化經(jīng)過電橋調(diào)節(jié)后，由耦合電容輸出給運(yùn)放進(jìn)行放大，再經(jīng)過整流濾波和差動放大后，一方面由顯示儀表讀出板材厚度，一方面通過反饋回路將偏差信號送給壓力調(diào)節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。,26,（二）電纜偏心測量,圖為測量電纜芯的偏心原理圖，在實(shí)際應(yīng)用中是用兩對電容傳感器，分別測出在x方向和y方向的偏移量，再經(jīng)計(jì)算得出偏心值。,27,（三）電容式壓力傳感器,它由金屬彈性膜片與鍍金凹型玻璃圓片組成。當(dāng)被測壓力P通過過濾器進(jìn)入空腔時，由于彈性膜片兩側(cè)的壓力差，使彈性膜片凸向一側(cè)，產(chǎn)生位移，該位移改變兩個鍍金玻璃圓片與彈性膜片間的電容量。,28,如何求？,29,對于一個球面平面型電容器，在忽略邊緣效應(yīng)時，可用單元積分法求出,30,上述差動式電容傳感器配置二極管環(huán)行檢波電路，即可輸出（420）mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。,穩(wěn)幅放大器,比例放大器,恒壓恒流源,電