1、第5章 電容式傳感器 11.19.20151第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用前言電容式傳感器利用了將非電量的變化轉換為電容量的變化來實現對物理量的測量。廣泛用于位移、振動、角度、加速度以及壓力、差壓、液面（料位）、成份含量等方面的測量。特點：n結構簡單、體積小、分辨率高；n可實現非接觸式測量；n動態響應好；n能在高溫、輻射和強振動等惡劣條件下工作；n電容量小，功率小，輸出阻抗高，負載能力差，易受外界干擾產生不穩定現象。前沿變面積型工作原理變介質型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20152第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用1. 工作原理工作原理

2、0rAACdd ：極板間介質的介電常數；0 ：真空介電常數；r：極板間介質相對介電常數；A：兩平行板所覆蓋的面積；d：兩平行板間的距離。變介質型變極距型變面積型前沿變面積型工作原理變介質型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20153第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用2. 變面積型電容式傳感器工作原理電容改變量與水平位移成線性關系dbxaCCCr/)(0002()2(1)1lnlnlxlx lCCx lRRrr 0CxCl線位移變面積型0rAACdd axCC0前沿變面積型工作原理變介質型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20154第11講GMES 2008目

3、錄工作原理測量電路典型應用2. 變面積型電容式傳感器工作原理電容改變量與角位移成線性關系角位移變面積型0rAACdd 0(1)AA0000001(1)rCACCCd 00CCCC前沿變面積型工作原理變介質型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20155第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用3. 變介質型電容式傳感器工作原理002lnHCDd00 100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnHhhHhhCCCCDDDDDddddd 102(1)lnhCCCDd電容增量與被測液位的高度成線性關系相當于C1和C2并聯前沿變面積型工作原理變介質型變極距型第5章

4、電容式傳感器 11.19.20156第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用4. 變極距型電容式傳感器工作原理電容增量與極板間距離的變化成近似直線關系000rACd 000002000111rdCdACCCCdddddd 200000011ddddCddCCCC00000(1)CddCCCdd00ddCC或泰勒展開前沿變面積型工作原理變介質型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20157第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用4. 變極距型電容式傳感器工作原理擊穿或短路問題一般極板間距在25200um范圍內，而最大位移應小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器

5、主要用于微位移測量。00ddCCd0越小傳感器靈敏度越高，過小容易擊穿或短路。可在極板件加入高介電常數的云母材料。相當于電容串聯。00000ggggC CACddCC 前沿變面積型工作原理變介質型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20158第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用4. 變極距型電容式傳感器工作原理非線性問題200000011ddddCddCCCC分析同變磁阻式電感式傳感器為了提高靈敏度減小非線性誤差，通常采用差動結構10011CCdd20011CCdd30200011ddddddCC30200021ddddddCC 50300021222ddddddCCC

6、C2460000021CddddCdddd前沿變面積型工作原理變介質型變極距型第5章 電容式傳感器 11.19.20159第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用1. 調頻電路測量電路電容式傳感器的電容值及電容變化值都十分微小，必須借助信號調節電路才能將其轉換成與其成正比的電壓、電流或頻率，從而實現顯示、記錄和傳輸。相應的測量電路有調頻電路、運算放大器、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調制電路等。調頻測量電路原理是將電容作為振蕩器諧振回路的一部分012012()fL CCC0012012()fffL CCCC調頻電路二極管雙T型交流電橋運算放大器脈沖寬度調制電路第5章 電容式傳感器

7、 11.19.201510第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用2. 運算放大器測量電路虛地：U+=U-=0高阻抗：Ii=000000011iCUZIIjIjwCwC 011xCxxxxxUZIIjIjwCwC 00 xII00ixCUUC 對平板電容器00id CUUA 輸出電壓與輸入位移間存在線性關系能克服變極距型電容傳感器的非線性dACx調頻電路二極管雙T型交流電橋運算放大器脈沖寬度調制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201511第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用3. 二極管雙T型交流電橋測量電路過負載的平均電流不為0，RL上必有信號輸出，其輸出

8、在一個周期內的平均值為：當傳感器沒有輸入時， C1C2， I1I2，一個周期內流過負載的平均電流為0；當傳感器有輸入時，C1C2，I1 I2，一個周期內流 2102102d1CCEfRRRRRRtRtItITRIULLLLTLL 特點：輸出信號的上升時間取決于負載電阻RL，非常快，可用于測量高速機械運動。調頻電路二極管雙T型交流電橋運算放大器脈沖寬度調制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201512第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用4. 脈沖寬度調制電路測量電路111A1M1AM11CRUtUteUUt雙穩態觸發器輸出電阻可忽略；二極管反向電阻無窮大；（近似線性）調頻電

9、路二極管雙T型交流電橋運算放大器脈沖寬度調制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201513第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用4. 脈沖寬度調制電路測量電路MAA1AMln11UUUteUUtrBB222rAA111lnlnUUUCRTUUUCRT調頻電路二極管雙T型交流電橋運算放大器脈沖寬度調制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201514第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用4. 脈沖寬度調制電路測量電路2211Bm22Am11Bm212Am211BAAB0CRCRuCRuCRuTTTuTTTuuuu直流分量muCCCCu21210mBmAm21u

10、uuRR，設調頻電路二極管雙T型交流電橋運算放大器脈沖寬度調制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201515第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用4. 脈沖寬度調制電路測量電路mmmmmudduddddddCCudduddddddCCuddddudAdAdAdAuCCCCu00020121000201212112212121210有：，：當有：，：當如果采用差動電容：1.對于變極距型dAC可見，uo與d為線性關系調頻電路二極管雙T型交流電橋運算放大器脈沖寬度調制電路第5章 電容式傳感器 11.19.201516第11講GMES 2008目錄工作原理測量電路典型應用4. 脈沖寬度調制電路測量電路mmmmmuAAuAAAAAACCuAAuAAAA