電容式傳感器

1、第4章 電容式傳感器 電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以不用有機(jī)材料和磁性材料構(gòu)成，所以能在高 溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作；可非接觸測(cè)量；靈敏度高；響應(yīng)時(shí)間短，適合在線和動(dòng)態(tài)測(cè)量；極間的相互吸力十分微小，保證了比較高的測(cè)量精度；缺點(diǎn)：易受分布電容和外界干擾的影響，負(fù)載能力弱，存在非線性等。 4.1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)類型4.3 電容式傳感器的等效電路 4.4 硅電容式壓力傳感器4.5 電容式傳感器的測(cè)量電路4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 第4章 電容式傳感器4.1 電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)類型一

2、、工作原理及結(jié)構(gòu)類型二、變間隙式電容傳感器 三、變面積式電容傳感器 四、變介電常數(shù)式電容傳感器五、電容式傳感器的分類 六、電容式傳感器的輸出特性 第4章 電容式傳感器一、工作原理及結(jié)構(gòu)類型 電容式傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 多數(shù)場(chǎng)合下，電容器是由兩個(gè)金屬平行板組成，且以空氣為介質(zhì)。如果不考慮邊緣效應(yīng)，電容器的電容量 ：dSdSCr0S 兩平行極板所覆蓋的面積；D 兩平行極板之間的距離； 極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；0 真空介電常數(shù)（8.85410-12 Fm-1）r 介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)， r空氣1，其它介質(zhì)r 1。 當(dāng)被測(cè)量使得S 、d 或 發(fā)生變化時(shí)，電容量C 也隨之變化。一般保持其中

3、兩個(gè)參數(shù)不變而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。第4章 電容式傳感器u 電容式傳感器可分為三種類型：變間隙式（變極距式、變間距式）、變面積式和變介電常數(shù)式。（a）、（b）變間隙式；（c）、（d）、（e）、（f）變面積式；（g）、（h）變介電常數(shù)式第4章 電容式傳感器二、變間隙式電容傳感器 初始電容 00dSC202000001111dddddSdddSddSC當(dāng)d比較器的參考電壓Ur。l 測(cè)量原理： 電源接通，Q1， A點(diǎn)為高電位， 通過R1對(duì)C1充電， UM上升，直到高于Ur時(shí)比較器A1產(chǎn)生脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)變?yōu)榈碗娢?，C1通過D1迅速放電使UM接近零電位，此

4、時(shí)B點(diǎn)為高電位，通過R2對(duì)C2充電，UN上升，直到高于Ur時(shí)比較器A2產(chǎn)生脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器重新翻轉(zhuǎn)，第4章 電容式傳感器 C1= C2 時(shí)，C1 和C2 充電相同，電壓波形如圖(a)，輸出電壓uAB為等寬矩形波，平均電壓值為零。 當(dāng)差動(dòng)電容C1 和C2 值不相等時(shí)，假設(shè)C1C2，則C1 和C2 充電時(shí)間發(fā)生變化，電壓波形如圖(b)。uAB為不等寬矩形波，平均電壓值不為零，C1 、C2相差越大，此值越大。經(jīng)低通濾波器濾波后獲得直流輸出電壓Uo. 。12121oUCCCCUU1觸發(fā)器輸出高電平 雙 穩(wěn)發(fā) 器態(tài) 觸A點(diǎn)變?yōu)楦唠娢?，B點(diǎn)變?yōu)榈碗娢?，如此周而?fù)始。第4章 電容式傳感器對(duì)平行板變極距電容

5、器 11212oUddddU當(dāng)差動(dòng)電容C1C2C0。，即 d1d2d0時(shí)，Uo0；若C1C2，C1C2，即d1d0-d，d2d0+d，則 10oUddU若為差動(dòng)變極板面積電容傳感器 112121oUSSUSSSSU特點(diǎn)：(1) 輸出電壓與被測(cè)位移（或面積變化）成線性關(guān)系；(2) 效率高，不需要解調(diào)器，信號(hào)只要經(jīng)過低通濾波器就有較大的直流輸出；(3) 不需要載波； (4) 調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出無影響；(5) 不像調(diào)幅線路那樣，需對(duì)元件提出線性要求；(6) 由于低通濾波器作用，對(duì)輸出矩形波純度要求不高。第4章 電容式傳感器五、調(diào)頻測(cè)量電路 調(diào)頻測(cè)量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸

6、入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化，將頻率的變化在鑒頻中變換為振幅的變化，經(jīng)過放大后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來。也可以直接通過計(jì)數(shù)器測(cè)定其頻率資。(輸入 C f U ) 調(diào)頻接收系統(tǒng)分為直放式調(diào)頻（a）和外差式調(diào)頻（b）兩種類型。 外差式調(diào)頻線路比較復(fù)雜，但是性能遠(yuǎn)優(yōu)于直放式調(diào)頻電路。其主要優(yōu)點(diǎn)是選擇性高，特性穩(wěn)定，抗干擾性能強(qiáng)，靈敏度高。第4章 電容式傳感器調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定： LCf21式中 L 振蕩回路的電感； C總電容。CCl+Cc+C0C；其中 C1振蕩回路的固有電容； Cc傳感器的引線分布電容； C0C傳感器的電容。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)， C

7、0，則CCl+Cc+C0，所以振蕩器有一個(gè)固有頻率 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，即C0，振蕩頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)，頻率為 優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高，可測(cè)量0.01m甚至更小位移； 抗干擾能力強(qiáng)； 能獲得高電平直流信號(hào)（伏特?cái)?shù)量級(jí)）或頻率數(shù)字信號(hào)（易用于數(shù)字儀器和計(jì)算機(jī)接口）；缺點(diǎn)： 受溫度影響大 。)(21010CCCLfc)(21010CCCCLfffc第4章 電容式傳感器 六、諧振電路 電容傳感器C3 作為諧振回路中（L2，C2，C3）調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感耦合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當(dāng)傳感器電容C3 發(fā)生變化時(shí)，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，而這個(gè)變化又表現(xiàn)為整流器電流的變化。

8、于是，該電流經(jīng)過放大后即可指示輸入量的大小。 為了獲得較好的線性關(guān)系、一般諧振電路的工作點(diǎn)選在諧振曲線的一邊，即最大振幅70附近的地方，且工作范圍選在 BC 段內(nèi)。 優(yōu)點(diǎn)：比較靈敏。缺點(diǎn)：(1)工作點(diǎn)不容易選好，變化范圍也較窄；(2)傳感器與諧振回路要靠近，否則電纜的雜散電容對(duì)電路影響較大；(3)為了提高測(cè)量精度，振蕩器的頻率穩(wěn)定度要優(yōu)于10-6的數(shù)量級(jí)。 第4章 電容式傳感器4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 電容式傳感器因靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能在惡劣條件下工作、可非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于位移、振動(dòng)、加速度、角度等機(jī)械量的精密測(cè)量，還逐步擴(kuò)大應(yīng)用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方

9、面的測(cè)量。一、轉(zhuǎn)速測(cè)量二、電容式差壓傳感器三、電容式加速度傳感器四、電容式應(yīng)變計(jì)五、電容式荷重傳感器六、電容式振動(dòng)、位移測(cè)量?jī)x七、電容測(cè)厚儀八、變面積式電容壓力變送器九、電容式料位傳感器十、高分子電容式濕度變送器第4章 電容式傳感器一、轉(zhuǎn)速測(cè)量1 齒輪 （動(dòng)極板）2 定極 3 電容傳感器 4 頻率計(jì)60Nfn第4章 電容式傳感器二、電容式差壓傳感器（差壓變送器） 它由金屬?gòu)椥詼y(cè)量膜片7與凹型絕緣體5（陶瓷、玻璃等）上金屬膜6（鍍金）組成兩室結(jié)構(gòu)，室內(nèi)充滿硅油。金屬?gòu)椥阅て?為動(dòng)極板，凹型絕緣體上的金屬膜6為定極板，構(gòu)成差動(dòng)變間隙電容傳感器。 1、4波紋隔離膜片；2、3基座；5玻璃層；6金屬膜；

10、7彈性測(cè)量膜片第4章 電容式傳感器用途：測(cè)量壓力差。原理：當(dāng)左右隔離膜片分別承受兩個(gè)壓力產(chǎn)生變形時(shí)，被測(cè)壓力 通過隔離膜片及硅油導(dǎo)入空腔，施加在作為動(dòng)極板的金屬?gòu)椥阅て瑑蓚?cè)。當(dāng)這兩個(gè)壓力不同時(shí)，彈性膜片兩側(cè)有壓力差，使彈性膜片凸向一側(cè)，產(chǎn)生位移，該位移改變兩個(gè)定極板與動(dòng)極板間的電容量。 這種傳感器的靈敏度和分辨率都很高。其靈敏度取決于初始間隙 d0 ， d0 越小靈敏度越高。其動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要取決于彈性膜片的固有頻率。若接入差動(dòng)電橋，輸出電壓與壓力差成線性關(guān)系，且與介質(zhì)的介電常數(shù)無關(guān)。第4章 電容式傳感器三、電容式加速度傳感器 左圖是一種差動(dòng)電容式加速度傳感器的工作原理圖。傳感器由兩個(gè)差動(dòng)電容組成

11、，上極板與懸臂梁構(gòu)成 C1 ，懸臂梁與下極板構(gòu)成 C2 。當(dāng)加速度為零時(shí)，懸臂梁處在上、下極板的中間位置，C1C2 ；當(dāng)有加速度存在時(shí)，由Fma，有一慣性力F作用在懸臂梁上，懸臂梁產(chǎn)生變形，與兩定極板的距離發(fā)生變化，于是 C1C2 。 a = 0 a 0絕緣質(zhì)量塊彈簧 右圖是另一種差動(dòng)電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。上下各有一固定電極1、2，作為上、下定極板，極板中間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，上下端面磨平拋光后作為動(dòng)極板。第4章 電容式傳感器 電容式加速度傳感器目前多采用表面微加工技術(shù)制造，如右圖所示。它由三個(gè)多晶硅層組成差動(dòng)電容，第一層和第三層是不動(dòng)的，第二層是懸臂梁，它在加速度作用下是可運(yùn)動(dòng)

12、的。這種傳感器可以和檢測(cè)電路集成在一起，組成一個(gè)加速度檢測(cè)模塊。其靈敏度可達(dá)0.35mV/g/V。 第4章 電容式傳感器 在被測(cè)體的兩個(gè)固定點(diǎn)上，安裝兩個(gè)薄而低的拱形弧板，兩個(gè)拱形弧板的曲率略有差別，兩個(gè)長(zhǎng)方形電極板固定在拱形弧板的中央。安裝時(shí)應(yīng)注意兩個(gè)極板保持平行并平行于安裝傳感器的平面。 拱形弧板具有一定的放大作用，當(dāng)兩固定點(diǎn)受壓縮（兩點(diǎn)距離減?。┗蚴芾欤▋牲c(diǎn)距離增大）而產(chǎn)生位置變化時(shí)，電容極板間距發(fā)生變化（受壓縮時(shí)極距變小、受拉伸時(shí)極距變大），從而使電容值變化。 拱形弧板一般用鎳合金制造。 四、電容式應(yīng)變計(jì) 對(duì)于某些被測(cè)物由于受力而產(chǎn)生的形變或受溫度影響的膨脹、收縮，可以采用電容式形變

13、傳感器（或稱電容式應(yīng)變計(jì)）測(cè)量，以彌補(bǔ)某些條件下電阻應(yīng)變片測(cè)量的不足。 第4章 電容式傳感器 在彈性鋼板內(nèi)平行圓孔間設(shè)置平行板電容器，當(dāng)鋼板受壓力變形時(shí)，平板電容傳感器兩極板間距改變，從而電容量改變。 主要用于重負(fù)載。五、電容式荷重傳感器第4章 電容式傳感器示波器傳感器記錄器六、電容式振動(dòng)、位移測(cè)量?jī)x 下圖為DWY-3型振動(dòng)、位移測(cè)量?jī)x用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和振擺示意圖。該儀器主要用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度和振擺、往復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性和定位精度、機(jī)械構(gòu)件的相對(duì)振動(dòng)和相對(duì)變形、工件尺寸和平直度等。第4章 電容式傳感器七、電容測(cè)厚儀（電容傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用） 電容式測(cè)厚儀的關(guān)鍵部件之一就是

14、電容測(cè)厚傳感器。在板材軋制過程中由它監(jiān)測(cè)金屬板材的厚度變化情況，該厚度量的變化現(xiàn)階段常采用獨(dú)立雙電容測(cè)厚傳感器來檢測(cè)。它能克服兩電容并聯(lián)或串聯(lián)式傳感器的缺點(diǎn)。應(yīng)用獨(dú)立雙電容傳感器，通過對(duì)被測(cè)板材在同一位置、同一時(shí)刻實(shí)時(shí)取樣能使其測(cè)量精度大大提高。獨(dú)立雙電容測(cè)厚傳感器一般分為運(yùn)算型電容傳感器和頻率變換型電容傳感器兩種。前者對(duì) 0.5 1.0mm 厚度的薄鋼板進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量誤差小于20m ；后者其測(cè)量誤差小于0.3m。 在被測(cè)帶材的上、下兩側(cè)各置一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1和C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連成一個(gè)電極，帶材就是電容的另一個(gè)電極，總電容CxC1C2，

15、第4章 電容式傳感器運(yùn)算型電容測(cè)厚傳感器： 電容Cx與固定電容C0、變壓器的次級(jí)L1 和L2 構(gòu)成交流電橋。信號(hào)發(fā)生器提供變壓器初級(jí)信號(hào)，經(jīng)耦合作交流電橋的供橋電源。當(dāng)板材的厚度相對(duì)要求值發(fā)生變化時(shí)，Cx 變化。板材變厚，d 減小，Cx增大；板材變薄，d 增大，Cx減小。此時(shí)電橋輸出信號(hào)也將發(fā)生變化，變化量經(jīng)耦合電容C 輸出給運(yùn)算放大器放大整流和濾波；再經(jīng)差動(dòng)放大器放大后，一方面由顯示儀表讀出該時(shí)的板材厚度，另一方面通過反饋回路將偏差信號(hào)傳送給壓力調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)軋輥間的距離，經(jīng)不斷調(diào)節(jié)，使板材厚度控制在一定誤差范圍內(nèi)。 第4章 電容式傳感器八、變面積式電容壓力變送器德國(guó)威格(VEGA)公司生產(chǎn)

16、的變面積式電容壓力變送器 被測(cè)壓力作用在金屬膜片 1 上，通過中心柱 2 ，支撐簧片 3 ，使可動(dòng)電極 4 隨膜片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極 4 與固定電極 5 都是金屬材質(zhì)上切削成同心環(huán)形槽構(gòu)成的，有套筒狀突起斷面呈梳齒形，在兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積決定電容量。固定電極 5 的中心柱 6 與外殼間有絕緣支架 7 ，可動(dòng)電極 4 則與外殼連通。壓力引起的極間電容變化由 6 引至電子線路、變?yōu)橹绷餍盘?hào) 420mA 輸出。電子線路與上述可變電容安裝在同一外殼中，整體小巧緊湊。第4章 電容式傳感器 這種變送器可利用軟導(dǎo)線懸掛在被測(cè)介質(zhì)中，如左圖。 亦可用螺紋或法蘭安裝在容器壁上，如右圖。 第4章 電容

17、式傳感器 測(cè)定電極安裝在罐的頂部，這樣在罐壁和測(cè)定電極之間就形成了一個(gè)電容器。 九、電容式料位傳感器 當(dāng)罐內(nèi)放入被測(cè)物料時(shí)，由于被測(cè)物料介電常數(shù)的影響，傳感器的電容量將發(fā)生變化，電容量變化的大小與被測(cè)物料在罐內(nèi)高度有關(guān)，且成比例變化。檢測(cè)出這種電容量的變化就可測(cè)定物料在罐內(nèi)的高度。 物料可以是液體，也可以是固體。 若物料導(dǎo)電的話，罐壁和測(cè)定電極要做絕緣處理。第4章 電容式傳感器傳感器的靜電電容可由下式表示：dDhkCsln)(0式中： k 比例常數(shù)； s 被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù)； 0 空氣的相對(duì)介電常數(shù)； D 儲(chǔ)罐的內(nèi)徑； d 測(cè)定電極的直徑； h 被測(cè)物料的高度。 假定罐內(nèi)沒有物料時(shí)的傳感器

18、靜電電容為C0，放入物料后傳感器靜電電容為C1，則兩者電容差為C = C1 - C0 兩介電常數(shù)差別越大，極徑D 與d 相差愈小，傳感器靈敏度就愈高。 第4章 電容式傳感器十、高分子電容式濕度傳感器 高分子薄膜式濕敏元件（變介電常數(shù)型電容傳感器）應(yīng)用的是平板電容器原理，在絕緣基片上依次形成下電極、感濕膜、上電極。感濕膜是聚酰亞胺高分子聚合物，它吸收環(huán)境中的水分（也可釋放），使其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量變化，達(dá)到測(cè)濕目的。 當(dāng)環(huán)境中的水分子沿著上電極的毛細(xì)微孔進(jìn)入感濕膜而被吸附時(shí)，感濕膜的介電常數(shù)隨著其吸水量增加而增大，引起電容器電容值也增大，而吸水量多少又取決于濕度的大小，這樣就可確定在一定溫度下電容值與氣體中相對(duì)濕度的函數(shù)關(guān)系。 濕敏元件的電容值與相對(duì)濕度之間具有正比關(guān)系。第4章 電容式傳感器 固定頻率方波脈沖電路產(chǎn)生定周期脈沖，觸發(fā)后續(xù)脈沖寬度調(diào)制電路，使脈寬Tx