第5章电容式传感器（课件）- 《传感器与检测技术（第4版）》同步教学（机工版）

第5章 电容式传感器 主要内容 5.1 电容式传感器的工作原理 5.2 变极距型电容式传感器的非线性 5.3 电容式传感器的等效电路 5.4 电容式传感器的信号调节电路 5.5 电容式传感器的应用 知识单元与知识点 平板电容式传感器（变面积型、变介质型、变极距型）以及圆筒电容式传感器（变介质型）的工作原理； 变极距型电容式传感器的非线性； 调频电路、运算放大器、变压器式交流电桥、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等测量电桥； 电容式传感器的典型应用。 能力点 深入理解平板电容式传感器（变面积型、变介质型、变极距型）以及圆筒电容式传感器（变介质型）的工作原理； 理解调频电路、运算放大器、变压器式交流电桥、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等测量电桥； 了解电容式传感器的典型应用； 会分析变极距型电容式传感器的非线性。 重难点 重点：电容式传感器的工作原理、测量电路、灵敏度及非线性分析。 难点：二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路。 学习要求 掌握平板或圆筒电容式传感器的电容量表示； 掌握电容式传感器的三种类别； 掌握变面积型电容器的分类及其测量原理；掌握变介质型、变极距型、差动变极距型电容式传感器的测量原理； 掌握变极距型、差动变极距型电容式传感器的灵敏度及其相对非线性误差分析方法； 了解电容式传感器的典型应用。 电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。 广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。 特点： 结构简单、体积小、分辨率高； 可实现非接触式测量； 动态响应好； 能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作； 电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。 5.1　电容式传感器的工作原理 平板结构 在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。 平板电容式传感器可分为三种： 变极板间距离的变极距型 改变极板面积的变面积型 改变介质介电常数的变介质型 圆筒结构 5.1.1 变面积型电容式传感器 电容改变量与位移成线性关系 电容改变量与角位移呈线性关系 5.1.2 变极距型电容式传感器 简化： 近似直线关系 击穿问题 一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。 5.1.3 变介质型电容式传感器 电容增量与被测液位的高度成线性关系 介质名称 真空 空气 聚乙烯 硅油 金刚石 氧化铝 云母 TiO2 相对介电常数 1 ≈1 2.26 2.7 5.5 4.5～8.4 6～8.5 14～110 平板结构 串联： 并联： 圆筒结构 电容增量与被测液位的高度成线性关系 变极距型电容式传感器的非线性 单位输入位移所引起的输出电容量变化与　成反比关系 非线性误差 非线性误差： 差动结构 差动的好处 灵敏度得到一倍的改善 线性度得到改善 5.2　电容式传感器的测量电路 5.2.1 调频电路 5.2.2 运算放大器 　　　　　　　　　对平板电容器： 　　　　　　　　输出电压与输入位移间存在线性关系 5.2.3 变压器式交流电桥 对于变极距型电容式传感器： 5.2.4 二极管双T型交流电桥 当传感器没有输入时， C1＝C2 一个周期内流过负载的平均电流为0 当传感器有输入时，C1！＝C2 在负载和电源确定的情况下，输出电压只与电容的差值有关。 该测量电路的优点：电路简单，无需相敏检波和整流电路，便可得到较高的直流输出电压。输出信号的上升时间取决于负载电压，可用于测量高速机械运动。 5.2.5 脉冲宽度调制电路 C1的充电过程： 变极距型： 变面积型： 差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性。 5.3 电容式传感器的应用 5.3.1 电容式压力传感器 这就实现了差压－电容的转换。 如果采用脉冲宽度调制测量电路， 容易得到电路输出电压与差压成 线性关系。 特点：结构简单、灵敏度高、响应 速度快（100ms），能测量微小差 压（0－0.75Pa）。 5.3.2 电容式位移传感器 5.3.3 电容式加速度传感器 特点：频率响应快、量程范围大 5.3.4 电容式厚度传感器 金属带材在轧制过程中不断前行，如果带材厚度有变化，将导致上下两个电容器的极板间距离发生改变，从而引起电容量的变化。将电容器接入相应的测量电桥，产生不平衡输出，从而对带材厚度的质量进行判定。 A  r d （a）平板状 （b）筒状 ��6.6 ��������������������������������������� ��6.7���������������������