電氣測(cè)試技術(shù)（第5版）課件：電容式傳感器

28December2024

電容式傳感器3.4.1電容式傳感器的工作原理極其特性3.4.2測(cè)量電路3.4.3電容傳感器的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍28December20243.4.1電容式傳感器的工作原理極其特性圖3-60平板電容器原理圖3-60為平板電容器原理圖，若忽略其邊緣效應(yīng)，其電容量C為：+++dA

d、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。改變極板面積的變面積式；改變極板距離的變間隙式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。

28December20243.4.1.1變氣隙式電容傳感器及其特性圖3-60中，設(shè)在被測(cè)量作用下，動(dòng)極板向上移動(dòng)Δd，其電容量增加，電容變化量為：式中，C0

為初始電容量，

。在

時(shí)，將上式展開(kāi)成麥克勞林級(jí)數(shù)：

若動(dòng)極板向下位移Δd，同理可得：28December2024由式（3-71）和式（3-72）可見(jiàn)，變氣隙式電容傳感器的特性是非線性的。若

，忽略高次方非線性，方可認(rèn)為其特性是線性的，即：

因此，可得其靈敏度為：

變氣隙式傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，但非線性嚴(yán)重，通常取之間。28December20243.4.1.2變面積式電容傳感器及其特性角位移變面積型見(jiàn)圖3-61a，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)片一個(gè)角度θ，遮蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之改變。當(dāng)θ=0時(shí)，其電容量為：

當(dāng)θ≠0時(shí)，

其靈敏度為：圖3-61變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-61。28December2024板狀線位移變面積型

見(jiàn)圖3-61b，當(dāng)動(dòng)板沿箭頭所示方向移動(dòng)x時(shí)，傳感器的電容量為：

其靈敏度為筒狀線位移變面積型

見(jiàn)圖3-61c，當(dāng)動(dòng)板圓筒沿軸向移動(dòng)x時(shí)

其靈敏度為：28December20243.4.1.3變介電常數(shù)式電容傳感器及其特性當(dāng)電容極板之間的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之發(fā)生變化，根據(jù)這一原理可構(gòu)成變介電常數(shù)式電容式傳感器?？捎靡詼y(cè)量物位，含水量及成分分析等。圖3-62為變介電常數(shù)式電容液位傳感器原理圖。當(dāng)被測(cè)液面在同心圓筒間變化時(shí)，傳感器電容隨之變化，其容量為：圖3-62電容式液位傳感器原理圖28December20243.4.1.4差動(dòng)電容傳感器及其特性上述變氣隙式、變面積式和變介電常數(shù)式三種電容傳感器均可制成差動(dòng)電容傳感器。由于變氣隙式電容傳感器的非線性嚴(yán)重，實(shí)際上是很少使用的，通常制成差動(dòng)型式。由于篇幅所限。僅介紹變氣隙式差動(dòng)傳感器及其特性，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-63。差動(dòng)電容傳感器的輸出電容變化量

，得：圖3-63變氣隙式差動(dòng)電容傳感器原理由上式可見(jiàn)，變氣隙式差動(dòng)電容傳感器僅含奇次方的非線性，因此其線性度得到很大程度的改善。28December20243.4.2測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路的種類(lèi)很多，目前較常用的有電橋電路、調(diào)頻電路、脈沖調(diào)寬電路和運(yùn)算放大器式電路等。3.4.2.1電橋電路電容式傳感器常用交流電橋和變壓器電橋作為測(cè)量電路。圖3-64電容式自動(dòng)平衡液位測(cè)量?jī)x原理框圖例3-6圖3-64是電容式自動(dòng)平衡液位測(cè)量?jī)x原理框圖，試求指針偏轉(zhuǎn)角θ與液位h的表達(dá)式。28December2024解：由圖可見(jiàn)，當(dāng)h=0時(shí)，CX=CX0=C0，且電位器RP（阻值RP）的電刷在O點(diǎn)，即R=0，此時(shí)電橋應(yīng)平衡，橋路輸出電壓Uac=0，則

當(dāng)液位為h時(shí)，CX=CX0+ΔC，ΔC=k1h，k1為電容傳感器的靈敏度。此時(shí)Uac≠0，經(jīng)放大后，使單相電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速后帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)電位器的電刷移動(dòng)，直到Uac=0，系統(tǒng)重新平衡為止，此時(shí)聯(lián)立求解上面兩式得：28December2024由于指針轉(zhuǎn)角θ與電位器電刷同軸相連，它們間的關(guān)系為：

θ=k2R 因此

其中，

k2為比例系數(shù)可見(jiàn)，指針偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ與液位高度h成比例。28December20243.4.2.2調(diào)頻電路將電容式傳感器的電容接入LC高頻振蕩電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換成振蕩頻率受傳感器電容的調(diào)制，因此稱(chēng)為調(diào)頻電路，其工作原理見(jiàn)圖3-65。圖3-65調(diào)頻電路原理圖28December20243.4.2.3差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖3-66差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖3-67差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路的輸出波形28December20243.4.2.4運(yùn)算放大器電路圖3-68運(yùn)算放大器電路由右式及圖3-68可見(jiàn)，輸出電壓與動(dòng)極板的位移d成線性關(guān)系，從原理上克服了單個(gè)變氣隙式電容傳感器特性的非線性誤差問(wèn)題。需要指出的是，由于增益k≠∞，且輸入阻抗Zi≠∞，所以仍然具有一定的非線性誤差。為了防止干擾和減小雜散分布電容的影響，必須采取特殊措施即所謂的驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)。28December20243.4.3電容傳感器的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍電容傳感器的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，分辨率高，能感受0.01甚至更小的位移，無(wú)反作用力，需要的動(dòng)作能量低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量，能在惡劣的環(huán)境下工作；缺點(diǎn)是：輸出特性非線性，受分布電容影響大。但是，隨著新工藝，新材料問(wèn)世，特別是電子技術(shù)的發(fā)展，使干擾和寄生電容等問(wèn)題不斷得到解決，因此越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種測(cè)量中。電容傳感器可以用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅（可測(cè)至0.05微小振幅），尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓、液位、料面、成分含量（如油、糧食、木材的含水量）及非金屬材料的涂層、油膜等的厚度。此外，也可以用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的溫度、密度、厚度等。28December2024電容傳聲