1、2020/3/191 第第4 4章章 電容式傳感器電容式傳感器 2020/3/192 引言 ?電容式傳感器是將被測非電量的變化轉 化為電容變化量的一種傳感器。 ?結構簡單、分辨力高、可非接觸測量， 并能在高溫、輻射和強烈震動等惡劣條 件下工作 。 ?很有發展前途的傳感器 。 2020/3/193 4.1電容式傳感器工作原理電容式傳感器工作原理 ?由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板 電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為 ?保持其中兩個參數不變，僅改變其中一個參數， 就可把該參數的變化轉換為電容量的變化，通 過測量電路就可轉換為電量輸出。 ?電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面 積式和

2、變介質式3種類型。 d S d S C r0 ? ? 2020/3/194 4.1 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 ?面積變化式電容傳感器在工作時的極距、 介質等保持不變，被測量的變化使其有 效作用面積發生改變。 ?變面積式電容傳感器的兩個極板中，一 個是固定不動的，稱為定極板，另一個 是可移動的，稱為動極板。 2020/3/195 面積變化型電容傳感器原理面積變化型電容傳感器原理 1. 直線位移型直線位移型 2020/3/196 面積變化型電容傳感器原理面積變化型電容傳感器原理 2. 角位移型角位移型 2020/3/197 面積變化型電容傳感器原理面積變化型電容傳感器原理 3. 圓筒型

3、圓筒型 2020/3/198 4.1.2 變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 當改變電容器兩極板間的距離時，電 容器的電容也會發生變化。 2020/3/199 （a）為平板形位移電容傳感器。）為平板形位移電容傳感器。 ?設兩個相同極板的長為b，寬為a，極板 間距離為d，當動極板移動x后，電容Cx 也隨之改變。 ?電容的相對變化量和靈敏度為 ? ? 0 () x ax babxb CCC ddd ? ? - - 0 Cx Ca ? ? Cb K xd ? ? ? ? 2020/3/1910 差動結構形式差動結構形式 ?提高測量精度提高測量精度 ，減少動極板與定極板之 間的相對極距可能變化而引起

4、的測量誤 差。 2020/3/1911 4.1.3 變介質式電容傳感器變介質式電容傳感器 ?介質變化型電容傳感器的極距、有效作 用面積不變，被測量的變化使其極板之 間的介質情況發生變化。 ?主要用來測量兩極板之間的介質的某些 參數的變化，如介質厚度、介質濕度、 液位等。 2020/3/1912 介質變化型電容傳感器結構 ?1.位移型 2020/3/1913 介質變化型電容傳感器結構 ?2.液位型 2020/3/1914 結論 ?傳感器的靈敏度為常數，電容C理論上與 液面h成線性關系，只要測出傳感器電容 C的大小，就可得到液位h。 當電容傳感器處于初始位 置時，電橋平衡，電橋輸出電 壓；當被測量

5、的變 化引起電容傳感器的電容發生 變化時，電橋失去平衡，電橋 有電壓輸出，即。 2020/3/1915 4.2 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 ?常用電路有常用電路有:電橋電路、運算放大器測量電橋電路、運算放大器測量 電路、脈沖調制電路、調頻電路。電路、脈沖調制電路、調頻電路。 ?1.電橋電路電橋電路 ? ? 0 0 U ? ? 0 0 U 。 2020/3/1916 4.2電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 ?1.電橋電路 為了提高靈敏度，減小誤差，常采用差動形式， 其電路如圖所示。Cx1 和Cx2 表示差動式電容傳感器 的兩個電容。 2020/3/1917 4.2電

6、容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 ?1.電橋電路-電橋測量電路框圖 2020/3/1918 4.2電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 ?2.二極管雙T形交流電橋 二極管雙T形交流電橋電路原理如圖4-12 所示。圖中，C1 、C2為差動電容式傳感器的電容，R L為負載電阻，VD1、 VD 2為理想二極管，R1、R2為固定電阻；e為高頻電源， 它提供幅值為Ue的對稱方波。 2020/3/1919 4.2電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 ?3.運算放大器式測量電路 運算放大器的特點就是放大倍數A很大，輸入阻抗也很大。理想的運算放 大器的放大倍數和輸入阻抗都是無窮大。利

7、用運算放大器的這些特點就可 作為電容式傳感器的測量電路，來解決單個變極距式電容器傳感器的非線 性問題。運算放大器式測量電路如圖所示。圖中，C為總的輸入電容，Cx 是電容傳感器。 2020/3/1920 4.2電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 ?4.調頻電路: 把電容式傳感器作為振蕩器諧振電路 的一部分，其部分電路如圖所示。當被測量引起電容 量變化時，振蕩器的振蕩頻率就會發生變化，然后通 過鑒頻器把頻率的變化轉換為幅值的變化，再經過放 大后就可以通過儀表顯示出來。 調頻電路具有較高的靈敏度，可測至0.01m級位移變化量。易于用數字儀器測量， 并能與計算機通訊，抗干擾能力強。 2020

8、/3/1921 4.2電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 ?5.諧振電路: 振蕩器提供穩定的高頻信號通過L1、C1回 路選頻，再通過電感耦合到LCx 諧振回路。當傳感器電容 Cx發生變化時，則引起諧振回路阻抗的變化，而這個變化 會使整流器的電流發生變化。變化的電流再經放大器放大后 就可通過儀表顯示被測量的變化。 諧振電路的靈敏度較高，但工作點不易選擇，變化范圍較窄。 2020/3/1922 4.2電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 ?6.脈沖寬度調制電路 2020/3/1923 4.3 電容式傳感器的誤差及制作要求電容式傳感器的誤差及制作要求 ?4.3.1 電容式傳感器的誤

9、差因素 ?1.溫度的影響 ?3.寄生電容的影響 ?2.漏電阻的影響 2020/3/1924 4.3 電容式傳感器的誤差及電容式傳感器的誤差及制作要求 ?4.3.2 電容式傳感器的制作要求 ?1） 傳感器的電容值要盡量的大些。目的在于降低輸 出阻抗及對絕緣材料的要求，提高靈敏度。 ?（2） 要采用介電常數大的電介質材料。 ?（3） 要選用膨脹系數小的材料作為電極。目的在于 減小溫度附加誤差。 ?（4） 要求電源的頻率不應過低。目的在于減小輸出 阻抗，提高靈敏度。一般不應小于500 1000Hz 。 ?（5） 要求傳感器及引線要采用屏蔽措施。目的在于 消除寄生電容的影響，提高靈敏度。 2020/3

10、/1925 4.4 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 ?電容式傳感器不但應用于位移、振動、 角度、加速度及荷重等機械量的精密測 量，還廣泛應用于壓力、差壓力、液位、 料位、濕度、成分含量等參數的測量。 2020/3/1926 4.4.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 ?電容式壓力傳感器是將由被測壓力引起的彈性 元件的位移變化轉變為電容的變化來實現測量 的。 2020/3/1927 4.4.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 ?電容式加速度傳感器是將被測物的振動轉換為 電容量變化，其結構示意圖如圖4-19 所示 2020/3/1928 4.4.3 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器

11、?電容式濕度傳感器是通過改變傳感器中電介質 的介電常數，從而引起電容量的變化來實現測 量的。 2020/3/1929 4.4.4 電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器 ?電容式荷重傳感器是利用彈性元件的變形，致 使電容隨外加載荷的變化而變化。 2020/3/1930 4.4.5 電容式厚度傳感器電容式厚度傳感器 ?1.電容式測厚儀 2020/3/1931 4.4.5 電容式厚度傳感器電容式厚度傳感器 ?2.電容式厚度傳感器 2020/3/1932 4.4.6 電容式位移傳感器電容式位移傳感器 ?電容式位移傳感器就是通過改變電容器極板間 的距離引起電容量的變化來實現測量的。通常 采用的是一種單極變極

12、距式。 2020/3/1933 4.5 電容柵式傳感器電容柵式傳感器 ?電容柵式傳感器是在電容式傳感器基礎上發展 起來的一種傳感器。它具有電容式傳感器的優 點，當然它也有其自身的特點，如抗干擾能力 強、精度高和量程大等特點。 2020/3/1934 4.5.1 基本類型及原理基本類型及原理 ?1.基本類型及原理 2020/3/1935 4.5.1 基本類型及原理基本類型及原理 ?2.電容柵極片的結構形式電容柵極片的結構形式 （a）動尺 2020/3/1936 4.5.2 測量電路測量電路 電容柵式傳感器可采用調幅或調相式測量電 路，以得到調幅或調相信號。 2020/3/1937 4.5.2 測

13、量電路測量電路 電容柵式傳感器可采用調幅或調相式測量電 路，以得到調幅或調相信號。 2020/3/1938 附：電容式接近開關附：電容式接近開關 1檢測極板 2充填樹脂 3測量轉換電路 4塑料外殼 5靈敏度調節電位器 6工作指示燈 7信號電纜 2020/3/1939 工作過程（工作過程（1） ?檢測極板設置在接近開關的最前端，測量轉換 電路安裝在接近開關殼體內，用介質損耗很小 的環氧樹脂填充、灌封。當沒有物體靠近檢測 極時，檢測板與大地間的電容量C非常小，它 與電感L構成高品質因數（ Q）的LC振蕩電路， Q=1 （CR）。當被檢測物體為地電位的導 電體（如與大地有很大分布電容的人體、液體 等）時，檢測極板對地電容C增大，LC振蕩電 路的Q值將下降，導致振蕩器停振。 2020/3/1940 工作過程（工作過程（2） ?當不接地、絕緣被測物體接近檢測極板時，由 于檢測極板上施加有高頻電壓，在它附近產生 交變電場，被檢測物體就會受到靜電感應，而 產生極化現象，正負電荷分離，使檢測極板的 對