第章电容传感器

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1、 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第三章 电容式传感器 电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。第一节第一节 电容式传感器原理电容式传感器原理dAC1.变变面积面积式式 2.变变间隙间隙式式 3.变变介电常数介电常数式式 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 一、一、变面积式电容传感器变面积式电容传感器 电容：电容：第二节第二节 电容

2、式传感器的类型与特性电容式传感器的类型与特性xdbCdxabC0 x0-bCCCxddbxCK 电容增量：电容增量：测量灵敏度：测量灵敏度：提高灵敏度的途径？增加b，或减小d 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation变面积式电容传感器的派生形式：变面积式电容传感器的派生形式：xCC00ACCCda）b）dxabnCdxbnCdbnK000CCCCCCArrKddd 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation变面积电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线性关系！这这一类传感器多用于检测直线位移、角

3、一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。位移、尺寸等参量。变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 二、变间隙式电容传感器二、变间隙式电容传感器xdAC0 xdAC2222200011)()(dxdxxddxdCxdxdxddCxddCdx 显然，显然，时，时，于是，于是022dxdxCC10定极板定极板动极板动极板 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 只有只有 时，变间隙式电时，变间隙式电容传感器才是近似线性的。而为容传感器才是

4、近似线性的。而为了提高灵敏度，总是使初始极距了提高灵敏度，总是使初始极距d0尽量小些，但这也带来了变极尽量小些，但这也带来了变极距式电容器的距式电容器的行程较小行程较小的缺点。的缺点。并且并且d过小又容易引起击穿，加工过小又容易引起击穿，加工精度要求也很高。实际应用中，精度要求也很高。实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。可采用差动式结构。变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性dx 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、变介电常数式电容器：三、变介电常数式电容器：因为各种介质的因为

5、各种介质的相对介电常数相对介电常数不同，所以在电容器两不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。表表3-1 3-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway TransportationxBACCC相当于两电容并联：相当于两电容并联：2211ddbxCA其中：其中：121)(ddxlbCB2110ddblC取取x=0时电容为时电容为C0，有，有通过改变介质面积改变介电常数通过改变介质面积改变介电常数 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway

6、 Transportation 电容与电容与x的关系推导如下：的关系推导如下：12102211ddbxCddbxCCCBAxddlCC212121001结论：电容与位移结论：电容与位移x x之间呈线性关系。之间呈线性关系。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation当某种介质处于两极板间时，介质厚度 越厚，电容量也就越大。当介质厚度保持不变、而相对介电常数r改变，如空气湿度变化，介质吸入潮气（r水1）时，电容量将变大。当被测液体（绝缘体）的液面在两个同心圆金属管状电极间上下变化时，引起两电极间不同介电常数介质（上半部分为空气，下半部分为液体）的高度

7、变化，因而导致总的电容量变化。因此，变介电常数式电容传感器可以检测片状材料的厚度、性质，含水量以及测量液体的液位等。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation差动电容传感器结构示意图a）差动变极距式 b）差动变面积式1动极板 2定极板从热胀冷缩和电源电压波动、频率波动等方面，分析差分析差动电容传感器的好处动电容传感器的好处：1、提高传感器的灵敏度，减小非线性。2、外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消，即减小外部影响带来的相对误差补充：差动电容传感器补充：差动电容传感器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railw

8、ay Transportation第三节第三节 电容式传感器测量电路电容式传感器测量电路一、普通交流电桥一、普通交流电桥二、紧耦合电感臂电桥二、紧耦合电感臂电桥三、变压器电桥三、变压器电桥四、双四、双T T电桥电桥五、运算放大器式测量电路五、运算放大器式测量电路六、脉冲调制电路六、脉冲调制电路七、调频电路七、调频电路 电桥式电桥式 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation一、普通交流电桥：一、普通交流电桥：要求提供幅值和频率很要求提供幅值和频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗很高稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗很高 电容电

9、容变化变化交流交流电压电压变化变化初始初始电电桥桥平平衡衡交流交流电压电压放大放大检出检出直流直流电压电压滤掉滤掉交流交流分量分量直流直流电电压压输输出出Z Zi iZ ZiZZZZZZZUZZU)(211210 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation二、紧耦合电感臂电桥：二、紧耦合电感臂电桥：抗干扰能力强，稳定性高，适合高频抗干扰能力强，稳定性高，适合高频 电源下工作电源下工作LZKZZKZZZKZZKZZKZUZZU)1()1()1(211)1(1)1(1 12121212120Z ZZ ZL L为为电桥负电桥负载阻抗载阻抗LjZ12Cj

10、Z12CjCZLjZ12LjMLjK)(1 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、变压器电桥：三、变压器电桥：111CjZ221CjZ1Z2ZI21ZZUI21212112221202222CCCCUZZZZUUZZZUUUUC差动式差动式 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway TransportationddUCCCCUU2221210ddAC1ddAC2如果如果变压器电桥的变压器电桥的Z1、Z2采用两个变间隙电容（差动采用两个变间隙电容（差动式）式），有，有输出电压与位移呈线性关系输出电压与位移呈线性关系 轨道

11、交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation四、双四、双T T电桥电桥双双T电桥电路电桥电路0U正半周：正半周：C1充电，充电，C2放电放电差动式负载+iC1iC2 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation负半周：负半周：C2充电，充电，C1放电放电在负半周时，二极管在负半周时，二极管V V2 2导通、导通、V V1 1截止，电容截止，电容C C2 2很快被充电至很快被充电至电压电压U U；电源经电阻；电源经电阻R R2 2以以i i1 1 向负载电阻向负载电阻R RL L供电，与此同时，电供电，与此同

12、时，电容容C C1 1经电阻经电阻R R1 1、负载电阻、负载电阻R RL L 放电，流过放电，流过R RL L 的放电电流为的放电电流为i i2 2。流过流过R RL L的总电流的总电流i iL L 为为i i1 1 和和i i2 2 的代数和。的代数和。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation如果如果C1=C2，R1=R2=R，则正、负半周对称则正、负半周对称VU00)()()2(2120CCfURRRRRRULLL00UV如果如果C1或或C2变化时，变化时，则正、负半周不再对称则正、负半周不再对称CfUKU0或：或：输出电压输出电压平均值

13、：平均值：双双T T电桥特点：电桥特点：电路有一个公共接地点；二极管工作电路有一个公共接地点；二极管工作于线性工作段；输出电压高；测量灵敏度与电源频率有于线性工作段；输出电压高；测量灵敏度与电源频率有关；可以用于动态测量。关；可以用于动态测量。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation五、运算放大器式测量电路五、运算放大器式测量电路xxiCCCjCjUU00011dACxAdCuCCuuixi000 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation六、脉冲调制电路六、脉冲调制电路ru原原1 1充电充电原原

14、0 0升压升压变变1 10 01 11U输出限幅输出限幅 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation初始初始C1=C2，M、N等间隔等间隔0、1翻转，翻转，输出平均电压为输出平均电压为0。如果如果C1、C2不等，不等，M、N翻转将不再等间翻转将不再等间隔，输出平均电压会向正（或负）偏离：隔，输出平均电压会向正（或负）偏离：121210UCCCCU可见：输出电压与电容变化成线性关系可见：输出电压与电容变化成线性关系 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation UddU100 USSU100 轨道交通学

15、院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation)(21010CCCCLf初始振荡频率：初始振荡频率：电容改变电容改变C C后的振荡频率：后的振荡频率：)(2101CCCCCLff七、调频电路：七、调频电路：把电容式传感器与电感元件构成振荡器谐振电路。当电容把电容式传感器与电感元件构成振荡器谐振电路。当电容量发生变化时，振荡频率发生变化，通过鉴频电路将频率的变化转化振幅的变化，量发生变化时，振荡频率发生变化，通过鉴频电路将频率的变化转化振幅的变化，经放大器进行显示。经放大

16、器进行显示。振荡电感振荡电感固定电容固定电容传感器电容传感器电容电缆分布电容电缆分布电容振荡频率振荡频率变化变化电压电压变化变化 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学

17、院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第三节第三节 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面、相对面积积A 和

18、极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，电容量量，电容量C 就就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。量这个电参数来达到非电量电测的目的。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation一、电容式位移传感器一、电容式位移传感器测杆测杆固定电极固定电极活动电极活动电极开槽片簧开槽片簧差动式变面积型位移传感器 轨道交通学院轨道交通学院

19、School of Railway Transportation二、电容式压力传感器：二、电容式压力传感器：变极距型变极距型PP 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、电容式加速度传感器三、电容式加速度传感器-差动式变极距型差动式变极距型固定电极固定电极固定电极固定电极质量块质量块m m质量块质量块m m 弹簧片弹簧片+C C-C C 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测加速度传感器

20、安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的得的负加速度负加速度值超过设定值时，值超过设定值时，微处理器微处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 撞，撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感装有传感器的假人器的假人气囊气囊 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation利用

21、加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延延时起爆的钻地炸弹时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation四、电容式液位传感器四、电容式液位传感器绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极不导电液体不导电液体导电液体导电液体绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极变介电常数型变介电常数型变面积型变面积型 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电容式液位计电容式液位计 棒状电极（金属管）棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面管，当被测液

22、体的液面上升时，引起棒状电极上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容与导电液体之间的电容变大。变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。择输出为高电平的型号。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Tr

23、ansportation液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单：用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation五、电容式荷重传感器五、电容式荷重传感器电容式称重传感器电容式称重传感器F 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation六、电容式测厚仪六、电容式测厚仪带材带材定极定极U U电容耦合电容耦合直流电压输出直流电压输出定极定极