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1、4.4 4.4 電容式傳感器電容式傳感器采用采用電容器電容器作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)作為傳感元件，將不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為換為電容量電容量的變化。的變化。被測(cè)信息被測(cè)信息敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源輔助電源信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路輸出信息輸出信息電容元件電容元件電容元件電容元件實(shí)際上是一個(gè)實(shí)際上是一個(gè)具有可變參數(shù)具有可變參數(shù)的電容器的電容器電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動(dòng)、速度、物位、壓力、成份分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)量。1學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.1.掌握電容式傳感器的類型（根據(jù)工作原理）、特點(diǎn)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；及其應(yīng)用；2.2.了解電

2、容式傳感器的測(cè)量電路；了解電容式傳感器的測(cè)量電路；3.3.了解電容式傳感器的特點(diǎn)；了解電容式傳感器的特點(diǎn)；4.4.了解電容式傳感器的應(yīng)用了解電容式傳感器的應(yīng)用21.工作原理及類型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(shí)其電容C為：A、A A或或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。變面積型變面積型電容式傳感器電容式傳感器變極距型變極距型變介質(zhì)型變介質(zhì)型3（1）極距變化型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(dòng)，從而改變極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(shí)靈敏度越高。為減小

3、非線性誤差，該類傳感器通常用于測(cè)量微小位移。4n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n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。5為提高靈敏度和減小非線性，以及克服某些外界條件（如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(dòng)式結(jié)構(gòu)。電源電壓、環(huán)境溫度等），常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。在零點(diǎn)位置上設(shè)置一個(gè)可動(dòng)的接地中心電極，它離兩塊極板在零點(diǎn)位置上設(shè)置一個(gè)可動(dòng)的接地中心電極，它離兩塊極板的距離均為的距離均為6設(shè)可動(dòng)極板上移設(shè)可動(dòng)極板上移 ，則，則 增大，增

4、大，減小。減小。電容的總變化量為：電容的總變化量為：靈敏度為：靈敏度為：可見，采用差動(dòng)式電容傳感器，靈敏度提高一倍，非線性得到改善?？梢?，采用差動(dòng)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(dòng)電容傳感器變極距型差動(dòng)電容傳感器7（2）面積變化型面積變化型8A)A)角位移式電容傳感器角位移式電容傳感器可見，電容值與角位移可見，電容值與角位移 呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。此時(shí)，傳感器的靈敏度此時(shí)，傳感器的靈敏度k k為：為：當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角 時(shí)，由于覆蓋面積變時(shí)，由于覆蓋面積變化，電容量改變?；娙萘扛淖?。9B)B)直線位移式電容傳感器直線位移式電容傳感器當(dāng)可動(dòng)極板移動(dòng)距離當(dāng)可

5、動(dòng)極板移動(dòng)距離x x時(shí)，面積時(shí)，面積S S發(fā)生變化，發(fā)生變化，電容量：電容量：傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：10C)C)圓柱體線位移式電容傳感器圓柱體線位移式電容傳感器隨動(dòng)板圓柱的位移，定板圓柱與動(dòng)板圓柱之間的覆蓋面積發(fā)生變化，從而隨動(dòng)板圓柱的位移，定板圓柱與動(dòng)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。電容量發(fā)生變化。兩個(gè)兩個(gè)同軸圓筒電極同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：組成的電容器，其電容值為：當(dāng)覆蓋長度變化時(shí)，當(dāng)覆蓋長度變化時(shí)，通過通過A A）B B）C C）的分析可得出結(jié)論：變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，）的分析可得出結(jié)論：變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即具有良

6、好的線性，但靈敏度較變極距型低。大多數(shù)用來檢測(cè)較大直線即具有良好的線性，但靈敏度較變極距型低。大多數(shù)用來檢測(cè)較大直線位移及角位移等參數(shù)。位移及角位移等參數(shù)。變面積式電容傳感器也采用差動(dòng)形式，可使靈敏度提高一倍。變面積式電容傳感器也采用差動(dòng)形式，可使靈敏度提高一倍。11（3）介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型當(dāng)電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時(shí)，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容當(dāng)電容式傳感器中的電介質(zhì)改變時(shí)，其介電常數(shù)變化，從而引起了電容量發(fā)生變化。量發(fā)生變化。這類傳感器常用做檢測(cè)容器中這類傳感器常用做檢測(cè)容器中片狀材料的厚度片狀材料的厚度、液面高度液面高度等，也可用來等，也可用來測(cè)量介質(zhì)材料的濕度、介電常數(shù)等。測(cè)量

7、介質(zhì)材料的濕度、介電常數(shù)等。A)A)電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀C0C1C這種傳感器的電容量等于兩個(gè)電容這種傳感器的電容量等于兩個(gè)電容 和和 相串聯(lián)相串聯(lián)12 此時(shí)此時(shí) 為空氣相對(duì)介電常數(shù)，為空氣相對(duì)介電常數(shù)，為待測(cè)體的相對(duì)介電常數(shù)，為待測(cè)體的相對(duì)介電常數(shù)，當(dāng)厚度當(dāng)厚度 不變時(shí)，此電容傳感器可作為介電常數(shù)測(cè)量儀。不變時(shí)，此電容傳感器可作為介電常數(shù)測(cè)量儀。如果待測(cè)體的介電常數(shù)如果待測(cè)體的介電常數(shù) 不變時(shí)，可作測(cè)厚儀使用。不變時(shí)，可作測(cè)厚儀使用。13B)B)電容液面計(jì)電容液面計(jì)兩個(gè)兩個(gè)同軸圓筒電極同軸圓筒電極組成的電容器，其電容值為：組成的電容器，其電容值為：這類傳感器常常采用這類傳感器常常采用同軸圓筒電

8、極同軸圓筒電極組成的電容器作為測(cè)量裝置。組成的電容器作為測(cè)量裝置。14設(shè)容器中介質(zhì)是不導(dǎo)電液體（如果是導(dǎo)電液設(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）體，則電極需絕緣）總的電容總的電容 相當(dāng)于上方氣體介質(zhì)間的電容量相當(dāng)于上方氣體介質(zhì)間的電容量 和液體介質(zhì)間電容量和液體介質(zhì)間電容量 之和之和（相并聯(lián)）。（相并聯(lián)）?？梢?，同軸圓筒電容傳感器的電容量可見，同軸圓筒電容傳感器的電容量與液位成線性關(guān)系與液位成線性關(guān)系。C1CC215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，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(cè)量電路檢測(cè)出

9、這個(gè)微小的電容變量，并轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻必須借助于測(cè)量電路檢測(cè)出這個(gè)微小的電容變量，并轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。率信號(hào)。2.電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路與電容式傳感器配用的測(cè)量電路很多，常用的有與電容式傳感器配用的測(cè)量電路很多，常用的有橋式電路橋式電路、調(diào)調(diào)頻振蕩電路頻振蕩電路、運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路和和脈沖調(diào)寬型電路脈沖調(diào)寬型電路等幾種。等幾種。16（一）（一）交流電橋交流電橋Ui交流放大器相敏檢波器低通濾波器Z1Z2Z3Z4電容傳感器阻抗電容傳感器阻抗17電橋初始平衡條件：電橋初始平衡條件：當(dāng)被測(cè)參數(shù)引起傳感器阻抗變化當(dāng)被測(cè)參數(shù)引起傳感器阻抗變化 時(shí)，時(shí)，代入

10、初始平衡條件，化簡：代入初始平衡條件，化簡：對(duì)于電容傳感元件來說，有如下關(guān)系：對(duì)于電容傳感元件來說，有如下關(guān)系：18變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋Cr1Cr2USCU變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多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。采用。采用。采用。差動(dòng)式電容傳感器接入變壓器式電橋，當(dāng)放大器輸入阻抗差動(dòng)式電容傳感器接入變壓器式電橋，當(dāng)放大器輸入阻抗差動(dòng)式電容傳感器接入變壓器式電橋，當(dāng)放大器輸入阻抗差動(dòng)式電容傳感器接入變壓器

11、式電橋，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí)，對(duì)任何類型的電容式傳感器，電橋輸出電壓與輸極大時(shí)，對(duì)任何類型的電容式傳感器，電橋輸出電壓與輸極大時(shí)，對(duì)任何類型的電容式傳感器，電橋輸出電壓與輸極大時(shí)，對(duì)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。入位移均成線性關(guān)系。入位移均成線性關(guān)系。入位移均成線性關(guān)系。19（二）（二）調(diào)頻振蕩電路調(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(cè)量變化而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(cè)量變化而使電容量發(fā)生變化時(shí)，能使振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。由于振蕩器的使電容量發(fā)生變化時(shí)，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

12、的電容調(diào)制故稱為調(diào)頻電路。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)；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)是電纜電容的影響較大。但缺點(diǎn)是電纜電容的影響較大。20（三）（三）運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路當(dāng)運(yùn)放的輸入阻抗很高，增益很大時(shí)，認(rèn)為輸入電流當(dāng)運(yùn)放的輸入阻抗很高，增益很大時(shí)，認(rèn)為輸入電流 ，則，則從原理上解決了使用單個(gè)變間隙型電容傳感器輸出特性的非線性。從原理上解決了使用單個(gè)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該電路要求固定電容 必須穩(wěn)定，信號(hào)源電壓必須采取穩(wěn)壓措施必須穩(wěn)定，信號(hào)源電壓必須采取穩(wěn)壓措施21（四）脈沖調(diào)寬型電路

13、（四）脈沖調(diào)寬型電路該電路由比較器該電路由比較器A A1 1 A A2 2，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及電容充放電回路組成。C1C1、C2C2為差動(dòng)電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端為差動(dòng)電容，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端A A、B B作為差動(dòng)脈沖寬度作為差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路的輸出。調(diào)制電路的輸出。寬度受寬度受C1C1、C2C2調(diào)制的方波脈調(diào)制的方波脈沖沖22設(shè)充電電阻設(shè)充電電阻由于由于C1C1、C2C2大小不同，導(dǎo)致差動(dòng)電大小不同，導(dǎo)致差動(dòng)電容的充電時(shí)間不同，使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)容的充電時(shí)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。器輸出端的方波脈沖寬度不同。各點(diǎn)電壓波形圖各點(diǎn)電壓

14、波形圖23特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.1.不需要附加調(diào)制器即能獲得直流輸出；不需要附加調(diào)制器即能獲得直流輸出；2.2.輸出信號(hào)一般為輸出信號(hào)一般為100kHz100kHz1MHz1MHz的矩形波，所以直流輸出只需要經(jīng)過的矩形波，所以直流輸出只需要經(jīng)過低通濾波器簡單引出；低通濾波器簡單引出；243.電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用（一）電容測(cè)厚儀（一）電容測(cè)厚儀 當(dāng)被軋板材的厚度相對(duì)于要求值發(fā)生變化時(shí)，則當(dāng)被軋板材的厚度相對(duì)于要求值發(fā)生變化時(shí)，則 發(fā)生變化。發(fā)生變化。增大，增大，表示板材厚度變厚；表示板材厚度變厚；減小，表示板材厚度變薄。減小，表示板材厚度變薄。的變化經(jīng)過電橋的變化經(jīng)過電橋調(diào)節(jié)后，由耦合

15、電容輸出給運(yùn)放進(jìn)行放大，再經(jīng)過整流濾波和差動(dòng)放調(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(dòng)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(hào)送給壓力調(diào)節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。信號(hào)送給壓力調(diào)節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。25（二）電纜偏心測(cè)量（二）電纜偏心測(cè)量 圖為測(cè)量電纜芯的偏心原理圖，在實(shí)際應(yīng)用中是用兩對(duì)電容傳感器，圖為測(cè)量電纜芯的偏心原理圖，在實(shí)際應(yīng)用中是用兩對(duì)電容傳感器，分別測(cè)出在分別測(cè)出在x方向和方向和y方向的偏移量，再經(jīng)計(jì)算得出偏心值。方向的偏移量，再經(jīng)計(jì)算得出偏心值。26（三）電

16、容式壓力傳感器（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(cè)壓力它由金屬彈性膜片與鍍金凹型玻璃圓片組成。當(dāng)被測(cè)壓力P通過過濾通過過濾器進(jìn)入空腔時(shí)，由于彈性膜片兩側(cè)的壓力差，使彈性膜片凸向一側(cè)，器進(jìn)入空腔時(shí)，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(gè)鍍金玻璃圓片與彈性膜片間的電容量。產(chǎn)生位移，該位移改變兩個(gè)鍍金玻璃圓片與彈性膜片間的電容量。27如何求？如何求？28對(duì)于一個(gè)球面平面型電容器，在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，可用單元積分法求對(duì)于一個(gè)球面平面型電容器，在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，可用單元積分法求出出29上述差動(dòng)式電容傳感器配置二極管環(huán)行檢波電路，即可輸出（上

17、述差動(dòng)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(hào)。標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。穩(wěn)幅放大器穩(wěn)幅放大器比例放大器比例放大器恒壓恒流源恒壓恒流源電流轉(zhuǎn)換器電流轉(zhuǎn)換器30將兩差動(dòng)電容值代入二極管環(huán)行檢波電路輸出電流表達(dá)式，得到：將兩差動(dòng)電容值代入二極管環(huán)行檢波電路輸出電流表達(dá)式，得到：化簡得到，化簡得到，輸出電流與差壓呈線性關(guān)系。輸出電流與差壓呈線性關(guān)系。31（四）電容式測(cè)微儀（四）電容式測(cè)微儀采用非接觸方式精確測(cè)量微小位移和振動(dòng)振幅。采用非接觸方式精確測(cè)量微小位移和振動(dòng)振幅。電容探頭與待測(cè)表面間形成電容探頭與待測(cè)表面間形成的電容為：的電容為：將待測(cè)電容將待測(cè)電容 接入高增益運(yùn)放的反饋回路中，則接入高增益運(yùn)放的反饋回路中，則3233