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(d)
U 0R ((R R R 2 L R )2 L)R LEf(C 1C 2)
第四章电容式传感器
4.2电容式传感器的测量电路
3.运算放大器式测量电路
运算放大器的特点就是放大倍数A很大，输入阻抗也很大。理想的运算放 大器的放大倍数和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这些特点就可 作为电容式传感器的测量电路，来解决单个变极距式电容器传感器的非线 性问题。运算放大器式测量电路如图所示。图中，C为总的输入电容，Cx 是电容传感器。
d0
第四章电容式传感器
4.1.3 变介质式电容传感器
介质变化型电容传感器的极距、有效作 用面积不变，被测量的变化使其极板之 间的介质情况发生变化。
主要用来测量两极板之间的介质的某些 参数的变化，如介质厚度、介质湿度、 液位等。
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第四章电容式传感器
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介质变化型电容传感器结构
1.位移型
1. 直线位移型
C C 0 C 0r( a x ) b /d
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第四章电容式传感器
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面积变化型电容传感器原理
2. 角位移型
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第四章电容式传感器
6
A r2
2
动极板
r
定极板
图6.6 角位移测量的变面积型电容式传感器原理图
A A0 (1 )
图6.7 计算扇形面积的方法
传感器主要用于微位移测量。
第四章电容式传感器
差动结构形式
提高测量精度 ，减少动极板与定极板之 间的相对极距可能变化而引起的测量误 差。
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第四章电容式传感器
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差动的好处
灵敏度得到一倍的改善
C d 2
C0
d0
C d 1
C0
d0
线性度得到改善
2
d d0
100%
d 100%
第4章 电容式传感器
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第四章电容式传感器
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引言
电容式传感器是将被测非电量的变化转 化为电容变化量的一种传感器。
结构简单、分辨力高、可非接触测量， 并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条 件下工作 。
很有发展前途的传感器 。
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第四章电容式传感器
2
4.1电容式传感器工作原理
第四章电容式传感器
3
4.1 变面积式电容传感器
面积变化式电容传感器在工作时的极距、 介质等保持不变，被测量的变化使其有 效作用面积发生改变。
变面积式电容传感器的两个极板中，一 个是固定不动的，称为定极板，另一个 是可移动的，称为动极板。
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第四章电容式传感器
4
面积变化型电容传感器原理
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第四章电容式传感器
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介质变化型电容传感器结构
2.液位型
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第四章电容式传感器
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变介质型电容式传感器
C
＝
0
2 0H ln D
d
C C 1 C 2 ＝ 20 ( H D h ) 20 D 1 h ＝ 2D 0 H 20 h ( D 1 1 ) C 0 2 h (D 1 1 )
C1－C2 C1＋C2
U 2
第四章电容式传感器
4.2电容式传感器的测量电路
1.电桥电路--电桥测量电路框图
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第四章电容式传感器
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4.2电容式传感器的测量电路
2.二极管双T形交流电桥
二极管双T形交流电桥电路原理如图4-12所示。图中，C1 、C2为差动电容式传感器的电容，RL为负载电阻，VD1、 VD2为理想二极管，R1、R2为固定电阻；e为高频电源， 它提供幅值为Ue的对称方波。
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第四章电容式传感器
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简化：
CC0(1 dd0)＝ C0＋ Cd 0 0d
C
C C0d
C
d0
C 1C 1
近似直线关系
C 2C 2
0O d1d1 d2d2
d
第四章电容式传感器
击穿问题
g 0
d0 dg
C CgC0
A
Cg C0 dg d0
0g 0
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
D d
l n l n l n l n
d
dd
d
l n d
H
h 1
CCC0
2h(1 1)
D
ln
d
电容增量与被测液位的高度成线性关系
第四章电容式传感器
结论
传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与 液面h成线性关系，只要测出传感器电容 C的大小，就可得到液位h。
2021/2/23Hale Waihona Puke 第四章电容式传感器18
。 4.2 电容式传感器的测量电路
CCC0 C0
C0rA01 d0C0(1)C0C0
电容改变量与角位移呈线性关系
第四章电容式传感器
面积变化型电容传感器原理
3. 圆筒型
C2l(n l R x)2l(l1 n R xl)C 01 xl
r
r
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第四章电容式传感器
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4.1.2 变极距式电容传感器
当改变电容器两极板间的距离时，电 容器的电容也会发生变化。
1.电桥电路
为了提高灵敏度，减小误差，常采用差动形式， 其电路如图所示。Cx1和Cx2表示差动式电容传感器 的两个电容。
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第四章电容式传感器
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变压器式交流电桥
＋
U
2
C1
U
－
＋
＋
U
－2
C2 U o －
U0＝ZZ 1＋ 2U Z2－ U 2＝Z Z12＋ － Z Z21U 2
U
＝
0
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板 电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为
CS r0S
dd
保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通 过测量电路就可转换为电量输出。
电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面 积式和变介质式3种类型。
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第四章电容式传感器
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二极管双T型交流电桥
当传感器没有输入时
D2
B
R2
e
， C1＝C2
D1
A
R1
E
o
t1
t2
t
e
RL
C1
C2
E
一个周期内流过负 载的平均电流为0
T
当传感器有输入时，
(a)
(b)
C1！＝C2
R1
R2
R1
R2
E
C1
I1
RL
I2 C2
C1
I1
RL I2
C2
E
(c)
常用电路有:电桥电路、运算放大器测量 电路、脉冲调制电路、调频电路。
1.电桥电路
当电容传感器处于初始位
置时，电桥平衡，电桥输出电
压
•
；当被测量的变
U0 0
化引起电容传感器的电容发生
变化时，电桥失去平衡，电桥
有电压输出，即
•
U0
0
。
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第四章电容式传感器
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4.2电容式传感器的测量电路