第三章電容式傳感器

1、本章的主要內(nèi)容有本章的主要內(nèi)容有:1.電容式傳感器的結(jié)構原理電容式傳感器的結(jié)構原理;2.電容式傳感器的主要測量電路電容式傳感器的主要測量電路;3.電容式傳感器的結(jié)構類型電容式傳感器的結(jié)構類型;4.電容式傳感器的典型應用電容式傳感器的典型應用;通過學習要求掌握電容式傳感器的正確選用方法。通過學習要求掌握電容式傳感器的正確選用方法?；仡櫍夯仡櫍弘娮枋絺鞲衅麟娮枋絺鞲衅? 1）按工作的原理可分）按工作的原理可分2）按制作方式分）按制作方式分電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器-應變片應變片: :是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。 基于金屬導體的應變效應，即金屬導

2、體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化現(xiàn)象。金屬絲應變片：金屬絲應變片：對金屬材料，導電率不變：)21(RdRdRdR2半導體應變計半導體應變計dRdR應變片測量電路應變片測量電路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(324131421 1、變換原理、變換原理: :將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化1 1、改變極板面積的、改變極板面積的2 2、改變極板距離的、改變極板距離的3 3、改變介電常數(shù)的、改變介電常數(shù)的+ A AC0、A A或或發(fā)生變化時，發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。都會引起電容的變化。 當動極板移動當動極板移動x x后，覆后，覆蓋面

3、積就發(fā)生變化，電容量也蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為隨之改變，其值為: :axCxdbCCC00其靈敏度為其靈敏度為:dbxCK 變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線形關系。)1()1(0CdAC角位移型角位移型+AC0 下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。 當活動極板因被測參數(shù)的改變而引起移動時，兩極板之間的電容量C就改變了。 設極板面積為設極板面積為A A，其靜態(tài)電容量為：其靜態(tài)電容量為：當活動極板移動當活動極板移動x x后，其電容量為：后，其電容量為：dAC22011dxdxCxdAC22011dxdxCxdAC1122dx)1

4、(0dxCC4 4、一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來提、一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來提高絕緣性。高絕緣性。1 1、電容量電容量C C與與x x不是線性關系，只有當不是線性關系，只有當 x xd d時，才可認時，才可認為是最近似線形關系。為是最近似線形關系。2 2、要提高靈敏度，應減小起始間隙、要提高靈敏度，應減小起始間隙d d。3 3、當、當d d過小時，又容易引起擊穿，同時加工精度要求也高了。過小時，又容易引起擊穿，同時加工精度要求也高了。5 5、在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用、在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動式結(jié)構。

5、差動式結(jié)構。 討論：討論：, , 則：則：變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器 1 1）當電介質(zhì)改變時，電容量也會變化，可用下式表示。上）當電介質(zhì)改變時，電容量也會變化，可用下式表示。上圖為介質(zhì)面積變化的電容式傳感器。這種傳感器可用來測量圖為介質(zhì)面積變化的電容式傳感器。這種傳感器可用來測量物位或液位，也可測量位移。物位或液位，也可測量位移。AC0表表3-1 3-1 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器 根據(jù)表根據(jù)表3-1，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。，分析不同介質(zhì)對變介電常數(shù)電容器的影響。在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙

6、時，哪一種情況下的在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？電容量大？可以用于測量什么非電量？振蕩電路振蕩電路感應電極感應電極被測物體被測物體2）應用舉例）應用舉例1：電容式接近開關測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數(shù)介電常數(shù)發(fā)生變化，使發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化. .由此便由此便可控制開可控制開關的接通和關斷關的接通和關斷; ;接近開關的檢

7、測物體，并不限于金屬導體，接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。也可以是絕緣的液體或粉狀物體。3.2.1 雙雙T電橋電路電橋電路 測量電路測量電路 圖中圖中C C1 1、C C2 2為差動電容式傳感器的電為差動電容式傳感器的電容，容，R RL L為負載電阻，為負載電阻，V V1 1、V V2 2為理想二極管，為理想二極管，R R1 1、R R2 2為固定電阻。為固定電阻。常用電路有:雙雙T T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。制電路、調(diào)頻電路。圖3.2.1 雙T電橋電路C1C2R2R1RLu當當V V1 1導

8、通、導通、V V2 2截止時截止時C C1 1充電；反之充電；反之V V1 1截止、截止、V V2 2導通時導通時C C2 2充電充電; ; 由圖中可以看出，一路通過由圖中可以看出，一路通過R R1 1、R RL L，另一路通過另一路通過R R2 2、R RL L，這時流過這時流過R RL L的電流為的電流為i i1 1; ; 若若C C1 1或或C C2 2變化時，在負載變化時，在負載R RL L上產(chǎn)生的平均電流將不為零，因而有信上產(chǎn)生的平均電流將不為零，因而有信號輸出。號輸出。與P144不同橋式轉(zhuǎn)換電路3.2.1 雙雙T電橋電路電橋電路 1）測量電路）測量電路常用電路有:雙雙T T電橋電路

9、、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。制電路、調(diào)頻電路。圖3.2.1 雙T電橋電路C1C2R2R1RLu 有一個公共接地點。有一個公共接地點。 V V1 1和和V V2 2工作在伏安特性的線性段。工作在伏安特性的線性段。 輸出電壓較高。輸出電壓較高。 靈敏度與電源頻率有關。靈敏度與電源頻率有關。 可以用作動態(tài)測量?？梢杂米鲃討B(tài)測量。3.2.2 運算放大器式測量電路運算放大器式測量電路 常用電路有:雙雙T T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。制電路、調(diào)頻電路。 電路的原理如上圖所示。其輸出電壓電路

10、的原理如上圖所示。其輸出電壓以以 代入上式，則有：代入上式，則有： 輸出電壓輸出電壓u u0 0與動極片位移與動極片位移d d成線性關系。成線性關系。x0i0CCuudACxdACuu0i0iuou3.2.3 脈沖調(diào)制電路脈沖調(diào)制電路 常用電路有:雙雙T T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。制電路、調(diào)頻電路。C2C1A1A2D1R1R2VOCD2BASVr-QQRDVAV10tVBV10tVCVr0tVDVr0tVOVo=00tT2T1(b) C1=C1(c) C1C1VBV10tVBV10tVCVr0tT1VDVr0tT2VOVo0t

11、差動電容差動電容C C1 1和和C C2 2的大小控的大小控制直流電壓的通斷，所得方波制直流電壓的通斷，所得方波與與C C1 1和和C C2 2有確定的函數(shù)關系。有確定的函數(shù)關系。 可見，輸出電壓與電容變可見，輸出電壓與電容變化成線性關系?；删€性關系。121210uCCC-Cu3.2.4 調(diào)頻電路調(diào)頻電路常用電路有:雙雙T T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。制電路、調(diào)頻電路。 當電容變化時導致振蕩頻率變化，再通過鑒頻電路將其轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大后即可顯示，這種方法稱為調(diào)頻法。測量電路見下圖。振蕩頻率為測量電路見下圖。振蕩頻率為LC

12、21f)CCL(C21fc0103.2.4 調(diào)頻電路調(diào)頻電路常用電路有:雙雙T T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。制電路、調(diào)頻電路。 當電容變化時導致振蕩頻率變化，再通過鑒頻電路將其轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大后即可顯示，這種方法稱為調(diào)頻法。測量電路見下圖。振蕩頻率為測量電路見下圖。振蕩頻率為機械式油量表：機械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠里的浮球，通過杠桿帶動電阻絲式圓桿帶動電阻絲式圓盤電位器，由電流盤電位器，由電流表指示出油量。表指示出油量。3.3.1 在物位測控中的應用在物位測控中

13、的應用 電容式油量表電容式油量表 電容式油量表電容式油量表 當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為當油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為 m處。處。當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量當油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。?，同去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r帶動時帶動RP的滑動臂移動。當?shù)幕瑒颖垡苿印．擱P阻值達到一定值時，電橋又達阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（ x 處）。處）

14、。 該油量該油量表屬于開環(huán)表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？環(huán)系統(tǒng)？ 上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時可上頁所示的油量表在傾斜狀態(tài)時可以使用嗎？為什么？以使用嗎？為什么？ 該油量該油量表可用于表可用于飛機油箱飛機油箱3.3.1 在物位測控中的應用在物位測控中的應用 LP-5000系列電容物位變送器3.3.1 在物位測控中的應用在物位測控中的應用 LP-5000系列電容物位變送器 液位限位傳感器與液液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出不給出模擬量，而是給出開關量。當液位到達設定開關量。當液位到達設定值時，它輸出低電平。但值時，它輸出低電平。但也可以

15、選擇輸出為高電平也可以選擇輸出為高電平的型號。的型號。3.3.1 在物位測控中的應用在物位測控中的應用 CTS-DFD電容式物位限位開關3.3.1 在物位測控中的應用在物位測控中的應用 CTS-DFD電容式物位限位開關液位限位傳感器液位限位傳感器的設定的設定 智能化液位傳感器的設智能化液位傳感器的設定方法十分簡單：定方法十分簡單： 用手指壓住設定按鈕，用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，當水位高定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。號和控制信號。設定按

16、鈕設定按鈕智能化液位限位傳感器的設定按鈕智能化液位限位傳感器的設定按鈕超限燈超限燈正常工作正常工作指示燈指示燈設定按鈕設定按鈕電源電源 指示燈指示燈3.3.2 在壓力測量中的應用在壓力測量中的應用 CCPS32陶瓷電容壓力傳感器 陶瓷是一種公認陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振抗磨損、抗沖擊和振動的材料動的材料 3.3.2 在壓力測量中的應用在壓力測量中的應用 u FB0802陶瓷電容型壓力變送器http:/ 在壓力測量中的應用在壓力測量中的應用 u 1151系列電容式變送器 1）工作原理）工作原理 被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在被測介質(zhì)的兩種壓

17、力通入高、低兩壓力室，作用在元件元件( (即敏感元即敏感元件件) )的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離膜片和的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離膜片和元件內(nèi)的填充液傳到預張緊的測元件內(nèi)的填充液傳到預張緊的測量膜片兩側(cè)。當兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和量膜片兩側(cè)。當兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容就不等，通過檢測，放大轉(zhuǎn)換成壓力差成正比，故兩側(cè)電容就不等，通過檢測，放大轉(zhuǎn)換成4-204-20mAmA的電流的電流信號輸出。信號輸出。3.3.3 在位移測量中的應用在位移測量中的應用 u capaNCDT610 電容式位移傳感器 1）應用領域）應用領域 主要

18、用于震動、偏心、裂紋、振蕩、同心主要用于震動、偏心、裂紋、振蕩、同心度、位移、膨脹、撓度、波動、傾斜、尺寸公度、位移、膨脹、撓度、波動、傾斜、尺寸公差、零件識別、差、零件識別、 沖擊、軸向振動、軸承振動和沖擊、軸向振動、軸承振動和油膜間隙等。油膜間隙等。 3.3.3 在位移測量中的應用在位移測量中的應用 u capaNCDT610 電容式位移傳感器 2） 特點：特點： I.I. 工作時無磨損，免維修；工作時無磨損，免維修； II. II. 高的零點穩(wěn)定性和精度；高的零點穩(wěn)定性和精度； III. III. 幾乎與溫度無關；幾乎與溫度無關； IV. IV. 傳感器對被測體沒有作用力；傳感器對被測體

19、沒有作用力； V. V. 與被測體導電性能，以及導電性能變化無關；與被測體導電性能，以及導電性能變化無關； 3.3.3 在位移測量中的應用在位移測量中的應用 u capaNCDT610 電容式位移傳感器 3）系統(tǒng)結(jié)構系統(tǒng)結(jié)構 它是一個精密的單通道系統(tǒng)，它是一個精密的單通道系統(tǒng)，它由電容位移傳感器，傳感器電纜它由電容位移傳感器，傳感器電纜和處理信號的前置器組成。用戶可和處理信號的前置器組成。用戶可以在現(xiàn)場用二點線性化方法校準。以在現(xiàn)場用二點線性化方法校準。如下圖主要由傳感器、電纜、前置如下圖主要由傳感器、電纜、前置放大器、供電電纜和電源五個部分。放大器、供電電纜和電源五個部分。3.3.3 在位移

20、測量中的應用在位移測量中的應用 u capaNCDT610 電容式位移傳感器 4）技術參數(shù)技術參數(shù) 在室溫在室溫2020，傳感器電纜長為，傳感器電纜長為1 1米的情況下測得的。在被測材料為米的情況下測得的。在被測材料為金屬材料時，測量信號線性特性，金屬材料時，測量信號線性特性，不需重新校準。導電性能的變化不不需重新校準。導電性能的變化不會影響傳感器靈敏度和線性。會影響傳感器靈敏度和線性。 3.3.3 在位移測量中的應用在位移測量中的應用 u capaNCDT610 電容式位移傳感器 5）線性化校準線性化校準 它在出廠時已用金屬材料校準好，輸出它在出廠時已用金屬材料校準好，輸出0 0 10V 1

21、0V。 在精度低時測量范圍可擴展在精度低時測量范圍可擴展2 - 32 - 3倍，如上圖所示。倍，如上圖所示。 6 6）傳感器和電纜傳感器和電纜 傳感器帶有保護環(huán)，它用傳感器帶有保護環(huán)，它用1 1米長電纜同前置器連接米長電纜同前置器連接起來。應用時，無須再校準，靈敏度誤差在起來。應用時，無須再校準，靈敏度誤差在0.5 0.5 1% 1%以內(nèi)。特殊傳感器請咨詢。所有傳感器無安裝座，也以內(nèi)。特殊傳感器請咨詢。所有傳感器無安裝座，也能簡單安裝。固定通常用埋頭螺釘或者開口夾（如右能簡單安裝。固定通常用埋頭螺釘或者開口夾（如右圖所示）。圖所示）。3.3.3 在位移測量中的應用在位移測量中的應用 u TR2

22、30型容柵測微傳感器 1）工作原理工作原理 如圖所示，容柵傳感器是一種無差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖所示，容柵傳感器是一種無差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本測量部分是一個差動電容器，它是利用電容的電荷耦合方基本測量部分是一個差動電容器，它是利用電容的電荷耦合方式將機械位移量轉(zhuǎn)變成為電信號的相應變化量，將該電信號送式將機械位移量轉(zhuǎn)變成為電信號的相應變化量，將該電信號送入電子電路后，再經(jīng)過一系列變換和運算后顯示出機械位移量入電子電路后，再經(jīng)過一系列變換和運算后顯示出機械位移量的大小。的大小。2) 外型尺寸外型尺寸具體結(jié)構尺寸為：具體結(jié)構尺寸為：TR230TR230型的型的L0=31L0=31（mmmm），

23、），L=194L=194（mmmm）；）；3.3.3 在位移測量中的應用在位移測量中的應用 u TR230型容柵測微傳感器 3）技術指標技術指標 I. I. 測量范圍：測量范圍：0-30mm/0-50mm/0-100mm 0-30mm/0-50mm/0-100mm II. II. 分辨率：分辨率：0.01mm0.01mm、0.005mm 0.005mm III. III. 測力：測力：2.5N 2.5N IV. IV. 最大移動速度：最大移動速度：1.5M/s 1.5M/s V. V. 工作溫度：工作溫度：10-40 10-40 VI. VI. 存儲溫度：存儲溫度：0-55 0-55 3.3.

24、4 電容式接近開關電容式接近開關 被檢測物體可以是導電體、介質(zhì)損耗被檢測物體可以是導電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）體等） ；可以是接地的，也可以是不接地；可以是接地的，也可以是不接地的。的。 調(diào)節(jié)接近開關尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位調(diào)節(jié)接近開關尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。器，可以根據(jù)被測物不同來改變動作距離。 電容式接近開關外形電容式接近開關外形齊平式齊平式非齊平式非齊平式非齊平式非齊平式接近開關的安裝接近開關的安裝 非齊平式安裝時，傳感器高于安非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。裝支架，易損壞。全

25、密封防水式全密封防水式遠距離式（大量程）遠距離式（大量程）電容接近開關的規(guī)格電容接近開關的規(guī)格電容式接近開關在液位測量控制中的使用電容式接近開關在液位測量控制中的使用 電容式接近開關在物位測量控制電容式接近開關在物位測量控制中的使用演示中的使用演示電容式料位指示儀的信號轉(zhuǎn)換與控制電路：電容式料位指示儀的信號轉(zhuǎn)換與控制電路：不同材料的非金屬檢測物對電容式接不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關動作距離的影響近開關動作距離的影響硅微加工加速度傳感器原理硅微加工加速度傳感器原理 1 1加速度測試單元加速度測試單元 2 2信號處理電路信號處理電路 3 3襯底襯底 4 4底層多晶硅（下電極）底層多晶硅（下電極） 5 5多晶硅懸臂梁多晶硅懸臂梁 6 6頂層多晶硅（上電極）頂層多晶硅（上電極） 利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié) 構。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容構。在硅襯底上，制造出三個多晶硅電極，組成差動電容C C1 1、C C2 2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。中間