第4章電容式傳感器主要內容：

4.1電容傳感器工作原理

4.2電容傳感器輸出特性

4.3電容傳感器測量電路

4.4電容式傳感器的應用舉例傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器概述傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器

傳統電容式傳感器主要用于位移、角度、振動、加速度等機械量精密測量。

現代電容式傳感器逐漸應用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測量。

應用實例（電容測深度、角度）角度測量液位測量傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器電容式壓力變送器電容式差壓傳感器電容式接近開關

電容式傳感器的特點電容器容量小(幾十～幾百微法)，輸出阻抗高;

極板靜電引力小，工作所需作用力很小；可動質量小，固有頻率高，動態響應特性好；功率小，本身發熱影響小；可以進行非接觸測量。第4章

電容式傳感器4.1電容傳感器工作原理傳感與檢測技術

電容式傳感器是將被測非電量變化成電容量的變化。電容傳感器工作原理可以用平板電容說明：X第4章

電容式傳感器4.1電容傳感器工作原理和類型傳感與檢測技術改變式中S—極板面積，稱變面積型電容傳感器

—極板距離，稱變極距型電容傳感器

—介電常數，稱變介質型電容傳感器其中：

—真空介電常數

—介質的相對介電常數電容式傳感器極距型面積型介質型傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器變極距型電容傳感器傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器變面積型電容傳感器傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器變介質型電容傳感器傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器當分母<<1時，用泰勒級數展開

初始電容，極距減小△δ

時，電容量增加△C4.2電容傳感器輸出特性

1.變極距型（δ）傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器1.變極距型（δ）做線性處理(忽略高次項)后，電容相對變化量與電容極板的極距變化成正比

定義電容傳感器靈敏度為第4章

電容式傳感器傳感與檢測技術變極距型電容傳感器靈敏度與初始極距有關要提高傳感器靈敏度k0

應減小初始極距，但初始極距受電容擊穿電壓限制；另外，初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；非線性誤差隨相對的位移的增加而增加，為保證線性度應限制相對位移，限制了測量范圍；為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動結構。

討論：4.2電容傳感器輸出特性傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器

差動結構的電容特征方程式為：

差動結構的平板電容

設電容的動極板移動時C1增加，C2減小，且△C1=△C2

電容的總的變化量傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器電容相對變化量忽略高次項，電容相對變化量為

傳感器（差動式）靈敏度

相對非線性誤差為

差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍；非線性誤差減小（多乘因子）。

結論：

差動結構的平板電容

2.變面積型（S）

傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器平板電容的初始電容值為

電容的相對變化量與位移成正比

平板變面積型電容傳感器靈敏度

當動極板移動Δx

后，兩極板間電容量為2.變面積型（S）

傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器

（平板）變面積式電容傳感器靈敏度k0為常數；討論：輸出特性為線性關系適合大位移測量可實現直線位移、角位移測量。第4章

電容式傳感器3.變介電常數式（ε）傳感與檢測技術

變介電常數式電容傳感器與傳感器結構有關，

分以下幾種情況：測介質厚度

(紙張、薄膜厚度）_圖a

測介質位移（介質位置變化）_圖b

測介質材料（介電常數，如介質材料、液位)_圖c

測溫、濕度、容量（糧倉、木材濕度）_圖d第4章

電容式傳感器傳感與檢測技術

測厚度電容與介質參數之間關系與極距的幾何尺寸有關：介電常數包括被測介質和空氣介質介質不變，極板面積S和極距δ一定，改變介質厚度d，可設計為測厚儀器；

測量介質（ε）

，可設計為介電常數的測試儀器；第4章

電容式傳感器傳感與檢測技術測位移介質的厚度和材料不變，電容與介質參數之間的關系與介質在極板中的位置有關：式中：a、b

分別為平板電容的邊長

測介電常數ε（液位檢測）

通常根據容器的形狀計算無介質時，容器C0為傳感器靜電容，中心檢測電極為電容器的一個極板，外側（或容器罐）是電容器的另一個極板。傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器

燃油增加，hx增大，△C也增大；燃油減少，hx減少，△C也減小。

通過測量電容的大小就能知道油量的多少。

測液位——油量測量傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器

測液位電容傳感器中電容值變化都很微小，必須通過測量電路將電容變化轉換為電流、電壓、頻率的變化。傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器變壓器式交流電橋測量系統電容傳感器為兩個橋臂為差動形式代入：4.3測量電路

2)電橋電路交流電橋的輸出電壓為第4章

電容式傳感器2)電橋電路

傳感與檢測技術

將上式帶入后，輸出電壓與位移變化成理想線性關系極板在中間位置時動片上移時兩電容分別變化為第4章

電容式傳感器3)二極管雙T型電路

傳感與檢測技術

UE

高頻對稱方波電源，D1、D2

二極管，特性相同；

C1、C2傳感器差動電容；R1、R2

為固定電阻，RL負載。一個周期內RL上的平值電壓為

一個周期內負載RL上輸出電壓URL與電容的差值(C1-C2)成正比。

M為常數；UE、

f為電源電壓幅值和頻率。

第4章

電容式傳感器傳感與檢測技術

工作原理分析

t>0電路接通，C1充電至UC1=UE

；雙T型電路動畫

3）二極管雙T型電路

負載上電流：IL’=I1’（放電）+I2’（電源）

t=t2

，UE正半周，D1導通，D2截止

C1=C2時IL=IL’大小相等方向相反

一個周期內負載電阻上電壓平均值為

t=t1

，UE負半周，D1截止，D2導通

負載上電流：IL=I1（電源）+I2（放電）4）差動脈沖調寬電路

傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器電路原理框圖電路組成

A1、A2比較器；FF雙穩態觸發器作輸出;VD1、VD2與電阻R1、R2組成充放電回路；Uf

參考直流電壓，與C、D電壓比較;電容Cx1、Cx2為傳感器差動電容。傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器波形圖

C1=C2，UC、UD放電時間相同，輸出平均電壓Uo=0；

C1≠C2，輸出平均電壓Uo≠0，若C1＞C2，輸出A、B兩點的平均值等于UA、UB之差。雙穩態的兩個輸出端各產生一調制脈沖，脈沖寬度受C1、C2調制。輸出為兩端之差：低通輸出式中：U1為觸發器輸出高電平值4.差動脈沖調寬電路

傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器4.差動脈沖調寬電路

T=RC

若R1=R2輸出電壓與兩個傳感器電容的差值成正比變面積型，輸出與兩電容的面積差值成正比變極距型，輸出與兩電容的極距差值成正比

輸出電壓與兩個充放電回路時間常數的差成正比5.運算放大器式電路

傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器

C0固定電容，Cx

傳感器電容，設K為理想運放，a為虛地；設開環放大器有高的輸入阻抗輸入輸出

對于單極板平板電容器傳感器，輸出電壓Uo與機械位移δ成線性關系，解決了單電容的非線性關系問題。

輸出第4章

電容式傳感器1）電容式壓力傳感器傳感與檢測技術球型結構：金屬彈性膜片—動片（測量膜）；兩個玻璃球面上鍍有金屬—定片；膜片左右兩側充滿硅油。

工作過程：兩室分別承受低壓PL和高壓PH，硅油能將壓差傳遞到測量膜片。電容傳感器盒膜片結構4.4電容式傳感器的應用舉例第4章

電容式傳感器1）電容式壓力傳感器傳感與檢測技術

當PH=PL時C1=C2；膜片處于中間位置，

當有差壓作用時，測量膜片產生形變：

PH>PL時，膜片向PL彎曲，C1<C2，

PH<PL時，膜片向PH彎曲，C1>C2；前極電路將這種電容變化通過電路轉換，變為電壓或電流的變化1）電容式壓力傳感器傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器工業生產自動控制中，膜片式壓力計是最常用的一種，電容膜片壓力傳感器分為：計示壓力計（表壓），絕對壓力計，壓差計。計示壓力計（表壓）以大氣為基準，測管道、箱內、罐中壓力計示壓力計（表壓）1）電容式壓力傳感器傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器絕對壓力計

以絕對真空為基準，測量蒸發罐、反應罐中的壓力；壓差計

測兩個壓力的差值絕對壓力計2）電容板材在線測厚儀

傳感與檢測技術第4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。采用變壓器式輸出電橋電路。或用集成運放電路輸出與帶材厚度關系為：3）電容傳感器稱重、測振動位移、加速度

傳感與檢測技術第4章

電容式傳感器電容式稱重傳感器F絕緣材料定極板動極板極板支架彈性體在彈性鋼體上，高度相同處打一排孔，在孔內形成一排平行的平板電容，當稱重時，鋼體上端面受力，圓孔變形，每個孔中的電容極板間隙變小，其電容相應增大。由于在電路上各電容是并聯的，因而輸出反映的結果是平均作用力的變化，測量誤差大大減小。配接調頻式電路，就會引起振蕩器的振蕩頻率變化，頻率信號經計數、編碼，傳輸到顯示部分。

稱重本章要點1.如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？2.說明變介電常數型電容式傳感器測量液位的結構原理和測量方法。