第5章 電容式傳感器

傳感器原理及應(yīng)用

第5章電容式傳感器主要內(nèi)容：5.1電容傳感器工作原理和類型5.2電容傳感器輸出特性5.3電容傳感器測量電路5.4電容式傳感器的應(yīng)用舉例傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器概述傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器電容式傳感器的特點是：小功率、高阻抗;本身發(fā)熱影響小;

電容器小幾十～幾百微法，具有高輸出阻抗;

靜電引力?。O板間），工作所需作用力很?。豢蓜淤|(zhì)量小,具有高的固有頻率動態(tài)響應(yīng)特性好；可進(jìn)行非接觸測量。

傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動、角度、加速度等機械量精密測量。現(xiàn)逐漸應(yīng)用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測量。概述傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器概述傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器電容式傳感器典型應(yīng)用硅微電容式傳感器測量管道液位高度5.1電容傳感器工作原理和類型傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化，

電容器C可以通過改變

S—

面積，稱變面積型傳感器

—

距離，稱變極距型傳感器

—

介質(zhì)，稱變介質(zhì)型傳感器5.1電容傳感器工作原理和類型傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器變極距型傳感器5.1電容傳感器工作原理和類型傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器變面積型傳感器5.1電容傳感器工作原理和類型傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器變介質(zhì)型傳感器5.2電容傳感器輸出特性1變極距型（σ）

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器初始電容

當(dāng)減小時電容C增加

σεΔσC0σσCΔC傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器當(dāng)時，用泰勒級數(shù)展開

電容相對變化5.2電容傳感器輸出特性

1變極距型（σ）傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器忽略高次項5.2電容傳感器輸出特性

1變極距型（σ）

傳感器靈敏度5.2電容傳感器輸出特性

1變極距型（σ）傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器討論：要提高傳感器靈敏度K應(yīng)減小初始極距，但初始極距受電容擊穿電壓限制；非線性隨相對的位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對位移；起始極距與靈敏度相矛盾，變極距型電容傳感器適合測小位移；為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動結(jié)構(gòu)。5.2電容傳感器輸出特性

1變極距型（σ

）傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器差動結(jié)構(gòu)的電容特征方程式為：εσ２Ｃ１Ｃ２σ１上靜片下靜片動片5.2電容傳感器輸出特性

1變極距型（σ

）傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器電容的相對變化量

電容特征方程忽略高次項得：

電容的總的變化量5.2電容傳感器輸出特性1變極距型（σ）傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器結(jié)論：差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍，非線性誤差減?。ǘ喑艘蜃樱?。

傳感器（差動式）靈敏度

相對非線性誤差為

5.2電容傳感器輸出特性

2變面積型（S）

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

平板電容：當(dāng)動極板移動ΔX后兩極板間電容量為：初始電容電容的相對變化量

5.2電容傳感器輸出特性

2變面積型（S）

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器結(jié)論：變面積式電容傳感器靈敏度K為常數(shù)；輸出特性為線性；適合大位移測量。

平板變面積型電容傳感器靈敏度5.2電容傳感器輸出特性

3

變介電常數(shù)式（ε）

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運動時，電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況：測介電常數(shù)；測厚度dεdσ動片5.2電容傳感器輸出特性

3變介電常數(shù)式（ε

）

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器d為運動介質(zhì)的厚度，d保持不變，改變可作為介電常數(shù)的測試儀器。

介電常數(shù)保持不變，d改變，可作為測厚儀器。5.2電容傳感器輸出特性

3變介電常數(shù)式（ε

）

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

測液位高度（根據(jù)液體容器的形狀計算）5.3測量電路1.電容傳感器的等效電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器電容傳感器中電容值變化都很微小，不能直接顯示記錄，必須將電容變化轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化。電容傳感器的等效電路包括:

傳輸線的電感L0、電阻R（?。?

傳感器電容C0，A、B兩端分布電容Cp，極板等效漏電阻Rg。5.3測量電路1.電容傳感器的等效電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

驅(qū)動電纜技術(shù)：提高電容傳感器的穩(wěn)定性，克服寄生電容耦合，原理是：連接電纜采用雙層屏蔽內(nèi)屏蔽與被屏蔽的導(dǎo)線的電位相同。從而消除引線與內(nèi)屏蔽之間的電容。5.3測量電路1.電容傳感器的等效電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

驅(qū)動電纜技術(shù)是一種等電位屏蔽法，（跟隨器）使傳輸電纜與內(nèi)屏蔽層等電位，消除芯線對內(nèi)層屏蔽層的容性漏電，從而消除寄生電容的影響。

運算放大器驅(qū)動法5.3測量電路2.電橋電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器電容轉(zhuǎn)換元件組成的變壓器式交流電橋測量系統(tǒng)。

單臂時，傳感器C鄰臂接一個固定電容相匹配；差動式傳感器是兩個臂。

極板在中間位置時5.3測量電路2.電橋電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

輸出與位移成理想線性關(guān)系

交流電橋的輸出電壓為：5.3測量電路2.電橋電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器交流電橋的多種形式5.3測量電路3.二極管雙T型電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器VE高頻對稱方波電源，

D1、D2特性相同二極管

C1、C2傳感器差動電容

R固定電阻，RL負(fù)載。一個周期內(nèi)RL上的平均值電壓：5.3測量電路3.二極管雙T型電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器雙T型電路工作原理分析正半周D1導(dǎo)通D2截止C1充電；負(fù)半周D1截止D2導(dǎo)通C2充電；一個周期內(nèi)負(fù)載RL上輸出電壓URL與電源電壓VE幅值、頻率f有關(guān);與電容的差值

(C1-C2)成正比5.3測量電路4．差動脈沖調(diào)寬電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器波形圖

電路原理圖傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

電路分析：雙穩(wěn)態(tài)的兩個輸出端各產(chǎn)生一調(diào)制脈沖，脈沖寬度受C1、C2調(diào)制。5.3測量電路4．差動脈沖調(diào)寬電路

電路組成：A1、A2比較器；雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；

VD1、VD2與電阻；組成充放電回路；Uf參考直流電壓；雙穩(wěn)態(tài)作輸出；電容C1、C2為傳感器差動電容。5.3測量電路5．運算放大器式電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器Cx傳感器電容,Co固定電容輸入端輸出端設(shè)K為理想運放5.3測量電路5．運算放大器式電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器對于單極板平板電容器傳感器運放輸出可以為：5.3測量電路5．調(diào)頻電路

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器諧振曲線5.4電容式傳感器的應(yīng)用舉例1.電容式料位計

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

用于水泥、化工、罐裝等傳感器靜電容：

電容測深度、角度動畫演示5.4電容式傳感器的應(yīng)用舉例

2．電容式壓力傳感器傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

結(jié)構(gòu)：測量膜片（金屬彈性膜片）——

動片；兩個玻璃球面上鍍有金屬——

定片；膜片兩側(cè)左右兩定中充滿硅油。工作過程：當(dāng)兩室分別承受低壓（PL）和高壓（PH）時，硅油能將壓差傳遞到測量膜片，5.4電容式傳感器的應(yīng)用舉例

2．電容式壓力傳感器傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

當(dāng)PH=PL時，膜片處于中間位置，C1=C2；當(dāng)有差壓作用時，測量膜片產(chǎn)生形變：

PH>PL時，膜片PL向彎曲，C1<C2，；

PH<PL時，膜片PH向彎曲，C1>C2；將這種電容變化通過電路轉(zhuǎn)換為電壓變化5.4電容式傳感器的應(yīng)用舉例

2．電容式壓力傳感器傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

電容傳感器盒膜結(jié)構(gòu)片5.4電容式傳感器的應(yīng)用舉例

3．電容測厚儀

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

電容測厚儀用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度變化。帶材是電容的動極板，總電容C1+C2作為橋臂。帶材只是上下波動時Cx=C1+C2總的電容量不變；帶材的厚度變化使電容Cx變化。5.4電容式傳感器的應(yīng)用舉例

4．電容測位移

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器5.4電容式傳感器的應(yīng)用舉例5.力平衡式加速度傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第5章

電容式傳感器

力平衡式傳感器是先將被測量轉(zhuǎn)換成力或力矩然后用反饋力與它平衡的閉環(huán)傳感器，可測加