《传感器及应用》电容式传感器（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》电容式传感器-讲义 知识点一 基本工作原理及结构形式 电容式传感器的基本工作原理：如图1所示的平板电容器。当忽略边缘效应时，平板电容器的电容为 式中：； ； 。 当 和中的某一项或某几项有变化时，熬着就改变了电容C，在交流工作时就改变了容抗Xc， 从而使输出电压或电流变化。 和的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等的变化；的变化，则可反映液面的高度、材料的温度等的变化。 实际应用时常使三个参数中的两个保持不变，而改变其中一个参数来使电容发生变化。 电容式传感器可以分为三种类型：改变极板距离的变间隙式改变极板面积的变面积式改变介电常数的变介电常数式。 图1 几种不同的电容式传感器的原理结构图 图1表示一些电容式传感器原理的结构形式，其中：图1-a、1-b为变间隙式；图1-c、1-d、1-e和1-f为变面积式；图1-g、1-h为变介电常数式。 变间隙式电容传感器一般用来测量微小的线位移（零点一微米至零点几毫米）；变面积式电容传感器一般用于测角位移（一角秒至几十度）或较大的线位移；变介电常数式电容传感器常用于固体或液体的物位测量以及各种介质的湿度、密度的测定。 电容式传感器的极板间介质为空气，当极板间距增大时，电容（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 不确定 【答案】B 【解析】根据电容的计算公式（其中是介电常数，S是极板面积，d是极板间距），当介质（空气）不变、极板面积不变，间距d增大时，电容C减小。 1. 以下哪种不是电容式传感器的结构形式（ ） A. 变极距型 B. 变面积型 C. 变介电常数型 D. 变电流型 【答案】D 【解析】电容式传感器主要有变极距型、变面积型、变介电常数型三种结构形式，没有变电流型这种说法。 2. 变面积型电容式传感器，当动极板相对定极板平移时，电容（ ） A. 与位移成正比变化 B. 与位移成反比变化 C. 呈平方关系变化 D. 不变 【答案】A 【解析】对于变面积型电容式传感器，其电容变化量和极板的相对位移是成正比关系的，因为，当d不变，S随位移线性变化时，C也线性变化。 3. 以下哪种结构形式的电容式传感器输出特性呈线性关系（ ） A. 变极板间距型 B. 变极板面积型 C. 变介质型 D. 以上都不是 【答案】B 【解析】 变极板面积型电容式传感器的输出特性是线性的。因为电容变化与极板面积变化呈正比关系，在这种情况下，传感器的灵敏度为常数；而变极板间距型是非线性关系，变介质型根据具体介质变化情况比较复杂，通常不是简单的线性关系。 1. 变介质型电容式传感器主要是利用（ ）来改变电容 A. 极板间距变化 B. 极板面积变化 C. 介质介电常数变化 D. 电压变化 【答案】C 【解析】变介质型电容式传感器的工作原理是基于当极板间介质的介电常数发生变化时，电容值随之改变。比如在检测湿度或液位时，就是因为介质（空气和液体比例或含水量等）变化导致介电常数改变，从而使电容变化。 2. 电容式传感器的两个极板间（ ） A. 必须是真空 B. 可以是空气或其他介质 C. 只能是固体介质 D. 不能有介质 【答案】B 【解析】电容式传感器的极板间可以是空气，也可以是其他介质。不同的介质有不同的介电常数，这是传感器能够通过介质变化来检测物理量的基础。例如，在很多应用中，介质可以是液体（如液位检测）、固体（如检测固体材料的介电特性）或者气体（如检测湿度）。 3. 在电容式传感器中，如果要提高变极板间距型传感器的灵敏度，应该（ ） A. 增大极板间距 B. 减小极板间距 C. 增大极板面积 D. 减小极板面积 【答案】B 【解析】对于变极板间距型电容传感器，根据电容公式，当极板间距d较小时，相同的极板间距变化量引起的电容变化量更大，即灵敏度更高。所以减小极板间距可以提高传感器的灵敏度。 · 位移使极板间距或面积变，介质变化引起介电常数变，改变电容。 · 电容式传感器的结构形式有：变极板间距型、变极板面积型、变介质型。 · 变极板间距型灵敏度高但非线性，变极板面积型线性好。 · 电容式传感器主要结构含极板、介质和电极引出线。 知识点二 测量转换电路 1、 桥式电路： 如图2所示为桥式转换电路。图2-a为单臂接法的桥式转换电路，高频电源经变压器接到电桥的一条对角线上，电容构成电桥的四臂，为电容式传感器，交流电桥平衡时： 图2 电容式传感器的桥式转换电路 当改变时，，有输出电压。在图2-b中，接有差动电容式传感器，其空载输出电压可用下式表示： 式中：； ； 。 该线路的输出还应经过相敏检波才能分辨U。的相位，即判别电容传感器的位移方向 2、 调频电路： 电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化后，振荡器的振荡频率发生变化。频率的变化在鉴频器中变换为电压振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。 调频接收系统可以分为直放式调频和外差式调频两种类型，如图3所示。外差式调频线路比较复杂，但选择性好，特性稳定，抗干扰性能优于直放式调频。 图3 调频电路方框图 用调频系统作为电容式传感器的测量电路主要具有抗外来干扰能力强、特性稳定、能取得高电平的直流信号（伏特数量级）等特点。 3、 脉冲宽度调制电路： 脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充放电，电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而改变，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。 脉冲宽度调制电路如4所示。它由比较器、双稳态触发器及电容充放电回路组成。 为差动电容传感器。经分析推导得： 式中： 。 输出电压与成线性关系。 图4 脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路特点：不论是对于变面积式或变间隙式电容传感器均能获得线性输出；双稳态输出信号一般为100 Hz~1 MHz的矩形波，所以只需经滤波器简单地引出，不需要相敏检波即能获得直流输出；电路只采用直流电源，虽然要求直流电源的电压稳定度较高，但这比其他转换电路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电易于做到；频率对输出无影响；对输出矩形波的纯度要求不高。 电容式传感器测量转换电路中，（ ）电路可以将电容的变化转换为电压的变化，且输出电压与电容变化呈线性关系。 A. 桥式电路 B. 运算放大器电路 C. 调频电路 D. 脉冲宽度调制电路 【答案】B 【解析】 运算放大器电路可以将电容的变化转换为电压的变化，输出电压和电容变化成线性关系。桥式电路主要用于测量电容的变化量，但输出和电容变化不是简单的线性关系；调频电路是将电容变化转换为频率变化；脉冲宽度调制电路是通过改变脉冲宽度来反映电容变化。 1. 下列电容式传感器测量转换电路中，抗干扰能力较强的是（ ） A. 交流不平衡电桥电路 B. 差动脉冲宽度调制电路 C. 双T电桥电路 D. 运算放大器电路 【答案】B 【解析】差动脉冲宽度调制电路抗干扰能力强，因为它对共模干扰有较强的抑制能力。交流不平衡电桥电路容易受到外界干扰；双T电桥电路也会受到一定的干扰；运算放大器电路如果布线不合理等情况也容易受到干扰。 2. 电容式传感器测量转换电路中，（ ）电路的输出信号频率与电容值有关 A. 调频电路 B. 运算放大器电路 C. 电桥电路 D. 相敏检波电路 【答案】A 【解析】调频电路的工作原理是使输出信号的频率随电容传感器的电容值变化而变化，而运算放大器电路输出电压与电容变化线性相关；电桥电路主要是通过电桥平衡来检测电容变化；相敏检波电路主要用于检测信号的相位和幅度等，和频率与电容值的关联不大。 3. 对于电容式传感器，采用（ ）转换电路时，电源电压波动对测量精度影响较小 A. 调频式 B. 运算放大器式 C. 交流电桥 D. 差动脉冲宽度调制 【答案】D 【解析】差动脉冲宽度调制电路对电源电压波动不敏感，因为它主要是通过比较脉冲宽度来测量电容变化。运算放大器式电路会受电源电压波动影响其放大倍数；交流电桥对电源电压稳定性要求较高；调频式电路电源电压波动可能影响频率输出稳定性差动脉冲宽度调制电路对电源电压波动不敏感，因为它主要是通过比较脉冲宽度来测量电容变化。运算放大器式电路会受电源电压波动影响其放大倍数；交流电桥对电源电压稳定性要求较高；调频式电路电源电压波动可能影响频率输出稳定性。 1. 电容式传感器测量转换电路中，双T电桥电路的输出电压与（ ）有关 A. 电容变化率 B. 电容绝对值 C. 电容的容抗 D. 电容的串联等效电阻 【答案】A 【解析】双T电桥电路输出电压和电容的变化率有关，通过检测电容变化导致的电桥不平衡输出电压变化来测量电容的改变情况。 2. 下列哪种电容式传感器测量转换电路可以实现电容微小变化的高精度测量（ ） A. 调频电路 B. 运算放大器电路 C. 脉冲宽度调制电路 D. 交流平衡电桥电路 【答案】B 【解析】运算放大器电路能够对电容的微小变化进行高精度测量，因为它可以将电容变化线性地转换为电压变化，并且可以通过合理选择放大器参数来提高精度。调频电路对微小变化测量精度相对较低；脉冲宽度调制电路精度不是特别突出用于微小变化；交流平衡电桥电路在微小变化测量上也不如运算放大器电路精度高。 3. 在电容式传感器测量转换电路中，（ ）电路需要一个高频载波信号 A. 调频电路 B. 交流电桥 C. 脉冲宽度调制电路 D. 运算放大器电路 【答案】A 【解析】调频电路需要高频载波信号，通过改变载波频率来反映电容变化。交流电桥一般不需要高频载波；脉冲宽度调制电路是通过改变脉冲宽度来工作；运算放大器电路主要是对电容变化转换为电压变化，不需要高频载波。 · 桥式电路：将传感器接入桥臂，利用电桥平衡条件变化检测电容。 · 调频电路：以传感器为振荡器部件，借电容改变振荡频率，凭借频率变化反映被测量。 · 运算放大器式电路：将电容接入反馈回路，把电容变化精准转换为电压输出，灵敏度高。 知识点三 电容式传感器的应用 1、 压力测量： 电容式压力传感器的结构示意图如图5所示，其中膜片电极为电容器的动极板。当被测压力或差压作用于膜片电极上，并使它产生位移时，两极板间距离将发生改变，从而导致电容器的电容量改变。当两极板间距离很小时，压力和电容量之间为线性关系。 图5 电容式压力传感器结构示意图 2、 加速度测量： 图6所示为空气阻尼电容式加速度传感器。 图6 电容式加速度传感器 该传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极板间有一用弹簧支撑的质量块。此质量块的两个端平面经磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极板相对质量块产生位移，此时上下两个固定电极与质量块端面之间的电容量产生变化而使传感器有一个差动的电容变化量输出。 3、 固体料位测量： 测量固体块状、颗粒体及粉料的料位时，由于固体摩擦较大，容易产生滞留现象，所以一般可用极棒和容器壁组成电容器的两个电极来测量非导电固体物料的料位，如图7所示。 图7 电容式固体料位传感器 当固体物料的料位发生变化时，会引起极间不同介电常数介质的高度发生变化，因而导致电容变化。如果要测量导电固体料位，可以在电极外套以绝缘套管。 4、 转速测量： 电容式转速传感器的结构原理如图8所示。 图8 电容式转速传感器 当电容式传感器的极板与齿顶相对时电容量最大，而电容极板与齿隙相对时电容量最小。当齿轮旋转时，电容量发生周期性变化，通过转换电路即可得到脉冲信号。频率计显示的频率代表转速的大小。设齿数为z由计数器得到的频率为f，则转速n (单位：r/min)为 在应用或制造电容式传感器时，应注意当电容器极板间距离d过小时，虽能使灵敏度提高，但这样在两极板间介质就有被击穿的危险，一般可在极板间放置云母片来改善。 变间隙式电容传感器可用来测量微米级的位移， 一般极板间距离不过1 mm，而最大位移量应限制在 间距的十分之一范围内；在变面积电容传感器中，可以测量厘米数量级的位移。 电容式传感器可用于（ ）的测量 A. 温度 B. 湿度 C. 压力 D. 以上都是 【答案】D 【解析】 电容式传感器可以通过介质的介电常数变化（湿度变化会引起介电常数改变）、极板间距变化（压力可能导致极板间距改变）等原理来测量多种物理量，并且有些电容式传感器可以利用温度对电容的影响来测量温度。 1. 电容式液位传感器是利用（ ）来检测液位的 A. 液体的导电性 B. 液体介电常数与空气介电常数不同 C. 液体的密度 D. 液体的压力 【答案】B 【解析】当液位变化时，电容式液位传感器中电容极板间的介质（液体和空气的比例）发生变化，因为液体和空气介电常数不同，从而导致电容值改变，以此来检测液位。 2. 电容式加速度传感器的工作原理是基于（ ） A. 电容极板间距变化 B. 介电常数变化 C. 电容极板面积变化 D. 以上都不是 【答案】A 【解析】当有加速度时，质量块会使电容极板间距发生变化，从而使电容值改变，通过检测电容的变化就可以得到加速度的信息。 3. 以下哪种设备可能不会用到电容式触摸传感器（ ） A. 智能手机 B. 平板电脑 C. 机械键盘 D. 智能手表 【答案】C 【解析】机械键盘主要是通过机械结构和触点来实现按键功能，而智能手机、平板电脑和智能手表通常会采用电容式触摸传感器来实现触摸操作。 1. 电容式传感器在测量微小位移时，主要利用（ ） A. 介电常数的微小变化 B. 极板面积的微小变化 C. 极板间距的微小变化 D. 电容与电压的微小变化关系 【答案】C 【解析】极板间距的微小变化会引起电容值的明显变化，这种变化在测量微小位移时比较灵敏，通过检测电容变化就能得到位移信息。 2. 电容式传感器用于检测谷物湿度时，是因为 ( ) A. 谷物湿度不同导电能力不同 B. 谷物湿度不同介电常数不同 C. 谷物湿度不同重量不同 D. 谷物湿度不同颜色不同 【答案】B 【解析】谷物湿度不同，其介电常数会不同，电容式传感器通过检测介电常数的变化来反映谷物的湿度情况。 3. 电容式接近传感器主要是通过（ ）来检测物体是否接近 A. 电容极板间距变化 B. 介电常数变化 C. 电容值变化 D. 电场强度变化 【答案】C 【解析】当物体接近电容式接近传感器时，会改变传感器的电容值，通过检测电容值是否变化来判断物体是否接近。 · 位移测量：变极板间距或面积型电容传感器。 · 压力测量：压力改变极板间距，导致电容变化。 · 液位检测：利用变介质型，依液位变化改变介电常数，实现对容器内液位的精准测量。 · 湿度检测：因湿度影响介质介电常数。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$