第五章電容感式傳感器

1、傳感器與自動檢測技術(shù)傳感器與自動檢測技術(shù)第五章第五章電容式傳感器電容式傳感器主要內(nèi)容：5.1 工作原理5.2 測量電路5.3 典型應(yīng)用概概 述述 電容式傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容式傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的電容量的變化變化。 傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移位移、角度角度、振動振動、加速度加速度 等機械量精密測量。等機械量精密測量。 目前電容式傳感器逐漸應(yīng)用于目前電容式傳感器逐漸應(yīng)用于壓力壓力、壓差壓差、液面液面、成份含成份含量量等方面的測量。等方面的測量。電容式傳感器特點：電容式傳感器特點： l 電容器容量小幾十幾百微法，具有高輸出阻抗電容器容量小幾十幾百

2、微法，具有高輸出阻抗; ;l 靜電引力?。O板間），工作所需作用力很?。混o電引力?。O板間），工作所需作用力很?。籰 可動質(zhì)量小可動質(zhì)量小, ,具有高的固有頻率動態(tài)響應(yīng)特性好；具有高的固有頻率動態(tài)響應(yīng)特性好；l 功率小，本身發(fā)熱影響??；功率小，本身發(fā)熱影響?。籰 可以進行非接觸測量?？梢赃M行非接觸測量。 各種電容式各種電容式傳感器傳感器ATM機接近開關(guān)機接近開關(guān) 電容式觸摸屏電容式觸摸屏測量管道液位高度測量管道液位高度電容式壓力變送器電容式壓力變送器電容式差壓傳感器電容式差壓傳感器電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器 各種電容式各種電容式傳感器傳感器5.1 5.1 工作

3、原理工作原理5.1.1 5.1.1 工作原理工作原理 d d A A 0 rAACdd ：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0 0r r，0 0為真空介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)，r r為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)；A A：兩平行板所覆蓋的面積；：兩平行板所覆蓋的面積；d d：兩平行板之間的距離。：兩平行板之間的距離。由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，其電容量板組成的平板電容器，其電容量為為 ：5.1.1 5.1.1 工作原理工作原理 固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳固定三個參量中的兩個，可以做成三

4、種類型的電容傳感器感器變面積型變面積型、變間隙型變間隙型、和和變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型。0 rAACdd d d A A 改變改變A、d、三個參量中的任意一個量，均可使平三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量板電容的電容量C 改變。改變。變極距型傳感器變極距型傳感器變極距型傳感器變極距型傳感器變面積型傳感器變面積型傳感器變面積型傳感器變面積型傳感器變介質(zhì)型傳感器變介質(zhì)型傳感器5.1.1 5.1.1 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器 結(jié)論：電容改變量與水平位移成線性關(guān)系結(jié)論：電容改變量與水平位移成線性關(guān)系 000() /1rxCCCax b dCa 02()2(1)1lnlnlxlx

5、 lCCx lRRrr 0CxCl初始電容：初始電容：dabC0當(dāng)動極板移動當(dāng)動極板移動 x：0CxCa（1）線位移變面積型）線位移變面積型5.1.1 5.1.1 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器0(1)AA0000001(1)rCACCCd 00CCCC（2）角位移變面積型）角位移變面積型 結(jié)論：電容改變量與角位移成線性關(guān)系結(jié)論：電容改變量與角位移成線性關(guān)系 變面積型電容傳感器結(jié)論：變面積型電容傳感器結(jié)論：變面積式電容傳感器輸出特性為變面積式電容傳感器輸出特性為線性線性；靈敏度為常數(shù)（靈敏度為常數(shù)（單位面積改變引起的電容相對變單位面積改變引起的電容相對變化量化量）；）； 適合適合大位移大

6、位移測量。測量。5.1.2 5.1.2 變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)型電容傳感器各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以電容器兩極板各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以電容器兩極板間插入間插入不同介質(zhì)不同介質(zhì)時，電容器的時，電容器的電容量電容量也就不同。也就不同。v 變介電常數(shù)式電容傳感器與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)，變介電常數(shù)式電容傳感器與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)， p 測測介質(zhì)厚度介質(zhì)厚度 ( (紙張、薄膜厚度）紙張、薄膜厚度）_ _圖圖a ap 測測介質(zhì)位移介質(zhì)位移（介質(zhì)位置變化）（介質(zhì)位置變化）_ _圖圖b bp 測測介質(zhì)材料介質(zhì)材料（介電常數(shù)，如介質(zhì)材料、液位（介電常數(shù)，如介質(zhì)材料、液位)_)_圖圖c cp 測測溫溫、濕

7、度、容量（糧倉、木材濕度）濕度、容量（糧倉、木材濕度）_ _圖圖d d平板結(jié)構(gòu)平板結(jié)構(gòu)圓筒結(jié)構(gòu)圓筒結(jié)構(gòu)5.1.2 5.1.2 變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)型電容傳感器1、平板結(jié)構(gòu)、平板結(jié)構(gòu)101d0d10dA1A01011dAC002dAC電容串聯(lián)電容串聯(lián)101012121ddACCCCC未加介質(zhì)時：未加介質(zhì)時：1000ddAC1110110100101100ddCddAddACCC電容增量與介電容增量與介電常數(shù)非線性電常數(shù)非線性電容并聯(lián)電容并聯(lián)dAACCC2010121未加介質(zhì)時：未加介質(zhì)時：102100)(ddAACdACCC) 1(1100電容增量與介電容增量與介電常數(shù)線性電常數(shù)線性dAC1

8、011dAC202002lnHCDd00 100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnH hhHhhC CCCDDDDDddddd dDhHCln201）（dDhCln21025.1.2 5.1.2 變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)型電容傳感器 結(jié)論：電容增量與被測液位的高度成線性關(guān)系結(jié)論：電容增量與被測液位的高度成線性關(guān)系 102(1)lnhCCCDd2、圓筒結(jié)構(gòu)、圓筒結(jié)構(gòu)5.1.3 5.1.3 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器000rACd l簡化：簡化：00000(1)CddCCCdd00ddCC000001ddCddACCr1/0dd 結(jié)論：電容增量與極距結(jié)論：電容增量與

9、極距近似成線性關(guān)系近似成線性關(guān)系 靈敏度不同靈敏度不同.)()(1 3020000ddddddCCCd05.1.3 5.1.3 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器極板間可采用極板間可采用高介電常數(shù)高介電常數(shù)的材料（的材料（云母、云母、 塑料膜塑料膜等）作介質(zhì)等）作介質(zhì)00000ggggC CACddCC 一般極板間距在一般極板間距在2525200um200um范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)范圍內(nèi)，而最大位移應(yīng)小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主小于間距的十分之一，因此這種電容式傳感器主要用于要用于微位移微位移測量?？蓽y量位移精度：測量?？蓽y量位移精度：0.010.01微米微米到到0.10.1微米

10、。微米。00ddCC001C CKdd電容變化量靈敏度變極距型電容傳感器靈敏度與初始極距有關(guān)變極距型電容傳感器靈敏度與初始極距有關(guān)要提高傳感器靈敏度要提高傳感器靈敏度K K 應(yīng)減小初始極距應(yīng)減小初始極距d d0 0，但初始極距受，但初始極距受電容擊穿電壓電容擊穿電壓限制；限制；初始極距初始極距d d0 0 與靈敏度相矛盾，變極距型電容傳感器適合與靈敏度相矛盾，變極距型電容傳感器適合測測小位移小位移；非線性誤差隨相對的位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)非線性誤差隨相對的位移的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對位移，限制了測量范圍；限制相對位移，限制了測量范圍；為提高靈敏度和改善非線性，一般采用為提

11、高靈敏度和改善非線性，一般采用差動差動結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。非線性誤差.)()(1 3020000ddddddCCC2000001CddddCdddd%100%1000020dddddd10011CCdd20011CCdd30200011ddddddCC 30200021ddddddCC 50300021222ddddddCCCC2460000021CddddCdddd差動電容傳感器差動電容傳感器002CdCd%100%1002220030 dddddd002C CKddl 差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍；差動式電容傳感器比單個電容靈敏度提高一倍； l 非線性誤差減小。非線性誤差減小。 結(jié)論結(jié)

12、論：差動電容傳感器差動電容傳感器5.2 5.2 測量電路測量電路測量電路有測量電路有調(diào)頻電路、運算放大器（單電容）調(diào)頻電路、運算放大器（單電容）二極管雙二極管雙T T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路（型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路（差動結(jié)構(gòu)）差動結(jié)構(gòu)）。5.2.1 5.2.1 調(diào)頻電路調(diào)頻電路LCf210012012()fffL CCCC振蕩回路固有電容振蕩回路固有電容傳感器電容傳感器電容引線分布電容引線分布電容特點：特點：（1 1）靈敏度高，可測）靈敏度高，可測0.01um0.01um級位移變化量級位移變化量（2 2）抗干擾能力強）抗干擾能力強（3 3）性能穩(wěn)定）性能穩(wěn)定（4 4）輸出高電平的直流

13、信號（伏特級），便于）輸出高電平的直流信號（伏特級），便于 數(shù)字儀器測量和計算機接口數(shù)字儀器測量和計算機接口5.2.2 5.2.2 運算放大器運算放大器00000011iCUZIIjIjwCwC 011xCxxxxxUZIIjIjwCwC 00 xII00ixCUUC 00id CUUA dACX變極距電容傳感器變極距電容傳感器 特點：能克服變極距型電容傳感器的非線性特點：能克服變極距型電容傳感器的非線性 放大倍數(shù)與輸入阻抗很高放大倍數(shù)與輸入阻抗很高5.2.3 5.2.3 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋22101212ZZZZZ2ZZ2UUUU120122CCUUCC負載阻抗無窮大時負載阻抗

14、無窮大時C1C2為變極距電容式傳感器時為變極距電容式傳感器時ddAC01ddAC02200iUddU 結(jié)論：放大器輸入阻抗很大時，輸出電壓與位移線性關(guān)系結(jié)論：放大器輸入阻抗很大時，輸出電壓與位移線性關(guān)系 5.2.4 5.2.4 二極管雙二極管雙T T型交流電橋型交流電橋 工作原理分析工作原理分析 t t 0 0 電路接通，電路接通，C C1 1充電至充電至U UC1C1= U= UE E ； t = tt = t2 2 ，U UE E正半周，正半周，D D1 1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D D2 2截止截止C C2 2放電，放電，C C1 1充電充電 t = tt = t1 1 ，U UE E負半周，負半周

15、， D D1 1截止，截止，D D2 2導(dǎo)通導(dǎo)通C C1 1放電，放電，C C2 2充電充電 負載上電流為負載上電流為C1C1的放電電流，順時針的放電電流，順時針差動差動電容電容相同相同特性特性 負載上電流為負載上電流為C2C2的放電電流，逆時針的放電電流，逆時針0122(2)()()LLLR RRURE fCCRR 特點：電路簡單，輸出直流電壓高，輸出信號上升特點：電路簡單，輸出直流電壓高，輸出信號上升時間取決于負載電阻，可測高速位移時間取決于負載電阻，可測高速位移 VDVD1 1、VDVD2 2特性相同，特性相同，R R1 1=R=R2 2=R,=R,C C1 1C C2 2為差動電容式傳

16、感器為差動電容式傳感器 一個周期內(nèi)，一個周期內(nèi)，I I1 1=I=I2 2，方向相反，流過負載的平均電，方向相反，流過負載的平均電流為流為0 0 當(dāng)傳感器有輸入時，當(dāng)傳感器有輸入時， C C1 1不等不等C C2 2， I I1 1不等不等I I2 2LTLLdtRtItITRIU0210)()(1K5.2.5 5.2.5 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制 電路組成電路組成A A1 1、A A2 2比較器；比較器；FF FF 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作輸出雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作輸出; ;V VD1D1、V VD2D2與電阻與電阻 R R1 1 、R R2 2組成充放電回路；組成充放電回路；U Ur r 參考直流電壓，與參

17、考直流電壓，與M M、N N 電壓比電壓比較較; ; 電容電容C C1 1、C C2 2為傳感器差動電容。為傳感器差動電容。工作過程：工作過程：Q Q輸出高，輸出高，u uA A對對C1C1充電，充電，u uM M升高升高1MAA1(1)ttuueu1 0111CR111111lnlnlnTuuuCRuuuCRuuutrAAuMAAMAAr充電至當(dāng)當(dāng)u uM Muur r時，比較器時，比較器A1A1輸出高，使輸出高，使Q Q輸出低，輸出低，C1C1放電。放電。 B B點為高，點為高，C2C2充電，充電， u uN N升高。升高。01222CR222222lnlnlnTuuuCRuuuCRuuu

18、trBBuNBBNBBr充電至)1(2tBNeuuBmAmBADCABuTTTuTTTuuuu2122110)(12012)ABDCmCCuuuCC(R1=R2，uAm= uBm= um變極距型00mduud 5.2.5 5.2.5 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制221122112122110)(CRCRuCRuCRuTTTuTTTuuDCuuBmAmBmAmBAAB0 rAACdd muddddu21120采用差動電容采用差動電容ddddddCC020121,，00mduud ddddddCC020121,，5.2.5 5.2.5 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制變面積型00mAuuA 特點：脈沖寬度調(diào)制

19、測量電路特點：脈沖寬度調(diào)制測量電路適用于適用于變極距變極距型和型和變面變面積積型電容傳感器，線性好。型電容傳感器，線性好。muAAAAu21210采用差動電容采用差動電容AAAAAACC020121,，ddddddCC020121,，00mAuuA 變介質(zhì)型差變介質(zhì)型差動電容呢？動電容呢？ 電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測量位移精確測量位移、厚厚度度、角度角度、振動振動等物理量，還應(yīng)用于等物理量，還應(yīng)用于測量力測量力、壓壓力力、差壓差壓、流量、成分、液位等流量、成分、液位等參數(shù)，在自動檢參數(shù)，在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器用來作

20、為位置信號發(fā)生器。5.3 5.3 典型應(yīng)用典型應(yīng)用電容式壓力變送器電容式壓力變送器電容式差壓傳感器電容式差壓傳感器電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)5.3 5.3 典型應(yīng)用典型應(yīng)用5.3.1 5.3.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器球型結(jié)構(gòu)：球型結(jié)構(gòu)： 金屬金屬彈性膜片彈性膜片動片（測量膜）；兩動片（測量膜）；兩個玻璃球面上鍍有金屬個玻璃球面上鍍有金屬定片；膜片定片；膜片左右兩側(cè)充滿硅油。左右兩側(cè)充滿硅油。 工作過程：工作過程： 兩兩室分別承受低壓室分別承受低壓P PL L和高壓和高壓P PH H，硅油，硅油能將壓差傳遞到測量膜片。能將壓差傳遞到測量膜片。 當(dāng)當(dāng)P P1 1 = P= P2 2時

21、時C1 = C2C1 = C2；膜片處于中間位置；膜片處于中間位置 當(dāng)有差壓作用時，測量膜片產(chǎn)生形變：當(dāng)有差壓作用時，測量膜片產(chǎn)生形變： P P1 1 P P2 2時，膜片向時，膜片向P P2 2彎曲，彎曲，C1 C2C1 C2， P P1 1 P C2C1 C2P1 P2時，膜片向時，膜片向P2彎曲，彎曲，C1 C2dACdAC21,因此因此1212CCCCd材料力學(xué)關(guān)系式材料力學(xué)關(guān)系式pKdpKCCCC1212若電容采用脈沖寬度調(diào)制電路進行測量，可得出測量電路輸出電壓與壓差成線性若電容采用脈沖寬度調(diào)制電路進行測量，可得出測量電路輸出電壓與壓差成線性關(guān)系。關(guān)系。結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快

22、。結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快。 工業(yè)生產(chǎn)自動控制中，膜片式壓力計是最常用的一種，工業(yè)生產(chǎn)自動控制中，膜片式壓力計是最常用的一種，電容膜片壓力傳感器分為：電容膜片壓力傳感器分為： 計示壓力計（表壓），計示壓力計（表壓），絕對壓力計，絕對壓力計，壓差計壓差計。計示壓力計（表壓）計示壓力計（表壓） 以大氣為基準(zhǔn)，測管道、箱內(nèi)、罐中壓力以大氣為基準(zhǔn)，測管道、箱內(nèi)、罐中壓力 絕對壓力計絕對壓力計 以絕對以絕對真空真空為基準(zhǔn)，測量蒸發(fā)罐、反應(yīng)罐中的壓力；為基準(zhǔn)，測量蒸發(fā)罐、反應(yīng)罐中的壓力； 壓差計壓差計 測兩個壓力的差值測兩個壓力的差值絕對壓力計絕對壓力計5.3.2 5.3.2 電容電容板材在線測厚儀

23、板材在線測厚儀 電容測厚儀用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度變化電容測厚儀用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度變化帶材是電容的動極板，總電容帶材是電容的動極板，總電容 C C1 1+C+C2 2 作為橋臂。作為橋臂。帶材只是上下波動時帶材只是上下波動時 C Cx x = C = C1 1+C+C2 2 總的電容量不變；總的電容量不變； 帶材的厚度變化使電容帶材的厚度變化使電容 C Cx x 變化。變化。采用變壓器式輸出電橋電路或用集成運放電路輸出。采用變壓器式輸出電橋電路或用集成運放電路輸出。5.3.3 5.3.3 電容式傳感器位移測量電容式傳感器位移測量 測振動位移測振動位移質(zhì)量塊（動極板）質(zhì)量塊（動極板）絕緣體絕緣體aC1C2m兩個固定極板間有一個用彈簧兩個固定極板間有一個用彈簧片支撐的質(zhì)量塊片支撐的質(zhì)量塊m m，質(zhì)量塊的，質(zhì)量塊的兩端面經(jīng)拋光后作為動極板；兩端面經(jīng)拋光后作為動極板；當(dāng)傳感器測量豎直方向的振動當(dāng)傳感器測量豎直方向的振動時，由于時，由于m m的慣性作用，使其的慣性作用，使其相對固定電極產(chǎn)生位移；相對固定電極產(chǎn)生位移；兩個差動電容器兩個差動