電氣測試技術(shù)（第5版）課件：電容式傳感器

28December2024

電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理極其特性3.4.2測量電路3.4.3電容傳感器的特點及其應(yīng)用范圍28December20243.4.1電容式傳感器的工作原理極其特性圖3-60平板電容器原理圖3-60為平板電容器原理圖，若忽略其邊緣效應(yīng)，其電容量C為：+++dA

d、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。改變極板面積的變面積式；改變極板距離的變間隙式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。

28December20243.4.1.1變氣隙式電容傳感器及其特性圖3-60中，設(shè)在被測量作用下，動極板向上移動Δd，其電容量增加，電容變化量為：式中，C0

為初始電容量，

。在

時，將上式展開成麥克勞林級數(shù)：

若動極板向下位移Δd，同理可得：28December2024由式（3-71）和式（3-72）可見，變氣隙式電容傳感器的特性是非線性的。若

，忽略高次方非線性，方可認為其特性是線性的，即：

因此，可得其靈敏度為：

變氣隙式傳感器的特點是靈敏度高，但非線性嚴重，通常取之間。28December20243.4.1.2變面積式電容傳感器及其特性角位移變面積型見圖3-61a，當轉(zhuǎn)動動片一個角度θ，遮蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之改變。當θ=0時，其電容量為：

當θ≠0時，

其靈敏度為：圖3-61變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器的結(jié)構(gòu)見圖3-61。28December2024板狀線位移變面積型

見圖3-61b，當動板沿箭頭所示方向移動x時，傳感器的電容量為：

其靈敏度為筒狀線位移變面積型

見圖3-61c，當動板圓筒沿軸向移動x時

其靈敏度為：28December20243.4.1.3變介電常數(shù)式電容傳感器及其特性當電容極板之間的介電常數(shù)發(fā)生變化時，電容量也隨之發(fā)生變化，根據(jù)這一原理可構(gòu)成變介電常數(shù)式電容式傳感器?？捎靡詼y量物位，含水量及成分分析等。圖3-62為變介電常數(shù)式電容液位傳感器原理圖。當被測液面在同心圓筒間變化時，傳感器電容隨之變化，其容量為：圖3-62電容式液位傳感器原理圖28December20243.4.1.4差動電容傳感器及其特性上述變氣隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種電容傳感器均可制成差動電容傳感器。由于變氣隙式電容傳感器的非線性嚴重，實際上是很少使用的，通常制成差動型式。由于篇幅所限。僅介紹變氣隙式差動傳感器及其特性，其結(jié)構(gòu)見圖3-63。差動電容傳感器的輸出電容變化量

，得：圖3-63變氣隙式差動電容傳感器原理由上式可見，變氣隙式差動電容傳感器僅含奇次方的非線性，因此其線性度得到很大程度的改善。28December20243.4.2測量電路電容式傳感器的測量電路的種類很多，目前較常用的有電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運算放大器式電路等。3.4.2.1電橋電路電容式傳感器常用交流電橋和變壓器電橋作為測量電路。圖3-64電容式自動平衡液位測量儀原理框圖例3-6圖3-64是電容式自動平衡液位測量儀原理框圖，試求指針偏轉(zhuǎn)角θ與液位h的表達式。28December2024解：由圖可見，當h=0時，CX=CX0=C0，且電位器RP（阻值RP）的電刷在O點，即R=0，此時電橋應(yīng)平衡，橋路輸出電壓Uac=0，則

當液位為h時，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1為電容傳感器的靈敏度。此時Uac≠0，經(jīng)放大后，使單相電動機轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速后帶動指針轉(zhuǎn)動，同時帶動電位器的電刷移動，直到Uac=0，系統(tǒng)重新平衡為止，此時聯(lián)立求解上面兩式得：28December2024由于指針轉(zhuǎn)角θ與電位器電刷同軸相連，它們間的關(guān)系為：

θ=k2R 因此

其中，

k2為比例系數(shù)可見，指針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ與液位高度h成比例。28December20243.4.2.2調(diào)頻電路將電容式傳感器的電容接入LC高頻振蕩電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換成振蕩頻率受傳感器電容的調(diào)制，因此稱為調(diào)頻電路，其工作原理見圖3-65。圖3-65調(diào)頻電路原理圖28December20243.4.2.3差動脈沖調(diào)寬電路圖3-66差動脈沖調(diào)寬電路圖3-67差動脈沖調(diào)寬電路的輸出波形28December20243.4.2.4運算放大器電路圖3-68運算放大器電路由右式及圖3-68可見，輸出電壓與動極板的位移d成線性關(guān)系，從原理上克服了單個變氣隙式電容傳感器特性的非線性誤差問題。需要指出的是，由于增益k≠∞，且輸入阻抗Zi≠∞，所以仍然具有一定的非線性誤差。為了防止干擾和減小雜散分布電容的影響，必須采取特殊措施即所謂的驅(qū)動電纜技術(shù)。28December20243.4.3電容傳感器的特點及其應(yīng)用范圍電容傳感器的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，分辨率高，能感受0.01甚至更小的位移，無反作用力，需要的動作能量低，動態(tài)響應(yīng)好，可實現(xiàn)無接觸測量，能在惡劣的環(huán)境下工作；缺點是：輸出特性非線性，受分布電容影響大。但是，隨著新工藝，新材料問世，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，使干擾和寄生電容等問題不斷得到解決，因此越來越廣泛地應(yīng)用于各種測量中。電容傳感器可以用來測量直線位移、角位移、振動振幅（可測至0.05微小振幅），尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量。還可用來測量壓力、差壓、液位、料面、成分含量（如油、糧食、木材的含水量）及非金屬材料的涂層、油膜等的厚度。此外，也可以用來測量電介質(zhì)的溫度、密度、厚度等。28December2024電容傳聲