第3章 电容式传感器与液位检测 （课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（人民邮电版）

第3章 电容式传感器与液位检测 【教学目标】 熟悉电容式传感器的工作原理 了解电容式传感器的结构 掌握电容式传感器的测量电路 熟悉电容式传感器的应用 【教学重点】 电容式传感器的工作原理 电容式传感器的测量电路 【教学难点】 电容传感器的典型应用 【主要内容】 电容传感器的结构和工作原理 电容式传感器的测量电路 电容式传感器的典型应用 第3章 电容式传感器与液位检测 3.1 电容传感器的结构和工作原理 平板电容器的电容值可表示为： 式中： — 电容极板间介质的介电常数， = 0r ， 其中0为真空介电常数，r为 极板间介质的相对介电常数； A — 两平行板正对面积； d — 两平行板之间的距离。 被测非电量 电容量变化 电流、电压或频率 3.1 电容传感器的结构和工作原理 变面积型电容传感器 平行板式变面积电容传感器 灵敏度: 动极板的位移量越大，电容值越小； 增大极板宽度，减小极板间的距离都可以提高灵敏度； 电容量C与水平位移x呈线性关系 3.1 电容传感器的结构和工作原理 变面积型电容传感器 角位移式变面积电容传感器 角位移式电容传感器的输出特性也是线性的; 动极板的角位移越大，电容值越小。 3.1 电容传感器的结构和工作原理 变面积型电容传感器 圆筒式变面积电容传感器 圆筒式变面积电容传感器的输出特性仍为线性; 内圆筒移出的位移量越大，电容值越小； 其灵敏度与圆筒长度L有关，L越小，灵敏度越高。 3.1 电容传感器的结构和工作原理 变极距型电容传感器 传感器的输出特性不是线性关系，而是非线性的，应用时需作近似线性处理。 当x/d0<<1时（即位移远小于极板初始距离时），(x/d0)2近似为0，1－(x/d0)2≈1，则上式可以简化为： 3.1 电容传感器的结构和工作原理 变极距型电容传感器 传感器灵敏度为: 结论： 变极距型电容传感器是非线性的； 为了减小非线性误差必须使x<<d0，因此电容传感器仅适合测量微小位移。 初始极距d0较小时，可以增大ΔC，从而提高传感器的灵敏度，但d0不宜过小，否则容易引起电容器击穿或短路。 3.1 电容传感器的结构和工作原理 变介质型电容传感器 常见电介质材料的相对介电常数见下表： 真空的介电常数： ε0 = 8. 85 × 10-12F/m 介质的相对介电常数： εr =ε/ε0 ， 3.1 电容传感器的结构和工作原理 变介质型电容传感器 位移型变介质电容传感器 电容值与位移量的关系是线性的，被测质量块移出的距离越大，电容值越小。 3.1 电容传感器的结构和工作原理 变介质型电容传感器 液位型变介质电容传感器 该液位传感器的输出与输入也是线性关系，传感器的总电容增量正比于被测液位高度h，即液位h越高，电容值越大。 3.1 电容传感器的结构和工作原理 差动结构的电容传感器 为了改善变极距型电容传感器的非线性，可以采用差动型电容传感器。 将C1、C2接入差动电桥电路后： 能减小非线性误差； 使传感器的灵敏度提高一倍； 外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等造成的误差也基本能相互抵消。 3.2 电容式传感器的测量电路 交流电桥电路 电桥的输出电压与电容变化成正比，与位移量之间的关系为线性； 灵敏度提高到了单电容传感器的两倍。 运算放大器电路 运算放大器的输出电压与极距之间为线性关系，它从原理上解决了变极距型电容传感器的非线性问题。 3.2 电容式传感器的测量电路 3.2 电容式传感器的测量电路 调频电路 3.3 电容式传感器的典型应用 电容传感器的应用特点 ①测量范围大，其相对变化率可超过100%； ②灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10~7个数量级； ③动态响应快（因其可动质量小）、固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量； ④稳定性好（由于电容器极板多为金属材料）、极板间介质多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等，因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。 电容式压力传感器 P1和P2的压力差使金属膜片产生位移，从而改变了两个差动电容器的极距，其电容值也随之改变。 3.3 电容式传感器的典型应用 电容式测厚仪 金属带材在轧制过程中的厚度检测 3.3 电容式传感器的典型应用 电容式测厚仪 非金属带材厚度的检测 3.3 电容式传感器的典型应用 电容式加速度传感器 将被测物体的振动位移转换为两个电容极距的变化，再转换为电容量的变化。 3.3 电容式传感器的典型应用 电容式湿度传感器 介质膜吸湿后其介电常数发生变化，电容值随之发