電容式傳感器及應(yīng)用

1、4.1 4.1 電容傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式dAC為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，= =0 0r r（r r為極為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)）；板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)）；0 0為真空中的介電常數(shù)為真空中的介電常數(shù)0 0 8.8548.8541010-12-12F/mF/m）；）；4.1.1 4.1.1 變面積（變面積（A A）式電容傳感器式電容傳感器axCdxabCx1)(0C C0 0初始電容值初始電容值 此傳感器的靈敏度此傳感器的靈敏度K K可用式子求得可用式子求得dbddCKxx可見，增加極板長度可見，增加極板長度b b，減小兩板間距，減

2、小兩板間距d d都可以提高傳感器都可以提高傳感器的靈敏度。但的靈敏度。但d d太小時，容易引起短路太小時，容易引起短路?？芍芍? :變面積式電容傳感器的輸出是線形的，靈敏度變面積式電容傳感器的輸出是線形的，靈敏度K K為一常數(shù)為一常數(shù)。(2)角位移型角位移型動動極板極板定極板定極板電容式角位移傳感器原理圖電容式角位移傳感器原理圖 當動極板產(chǎn)生角位移當動極板產(chǎn)生角位移時時, 與定極板間的有效覆蓋面積改變與定極板間的有效覆蓋面積改變, 兩極板間的電容量改變。兩極板間的電容量改變。 當當=0 時時, 0000rSC 式中式中: r 介質(zhì)相對介電常數(shù)介質(zhì)相對介電常數(shù); 0 兩極板間的距離兩極板間的距

3、離; S0 兩極板間初始覆蓋面積。兩極板間初始覆蓋面積。當當0時時, 則則:000001rSCCC 可見，可見，電容的變化電容的變化C=-C0(/)與與角位移角位移成成線性線性關(guān)系。關(guān)系。動動極板極板定極板定極板 (3)(3)圓柱位移型圓柱位移型d D H h圓柱位移型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖圓柱位移型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖當當h = 0 時時, 02lnHCD 于是：于是： HhCCC00002lnhhChCCDHCH 可見，可見，電容量的變化電容量的變化C與與高度的變化高度的變化 h 呈呈線性線性關(guān)系關(guān)系 D H h4.1.2 4.1.2 變極距（變極距（d d）式電容傳感器）式電容傳感

4、器C C與與d d的關(guān)系為一雙曲線的關(guān)系為一雙曲線 當動極板當動極板2 2移動移動x x值后，其電值后，其電容值容值C Cx x為為)1 (100000 xdxCdxCxdACx電容量電容量C Cx x與與x x不是線形關(guān)系，其不是線形關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)靈敏度也不是常數(shù) 若若d/d01時，則展成級數(shù)：時，則展成級數(shù)：2300000011ddddCCCdddd 此時此時C與與d近似呈線性關(guān)系，所以近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只變極距型電容式傳感器只有在有在d/d0很小很小時，時，才有才有近似近似的的線性線性關(guān)系關(guān)系。 另外，電容式傳感器的靈敏度為：另外，電容式傳感器的靈敏度為：

5、 可見，要提高靈敏度，應(yīng)減小可見，要提高靈敏度，應(yīng)減小d0。但。但d0過小，容易引起電容過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，常用提高介電常數(shù)的方法，即在兩級板器擊穿或短路。為此，常用提高介電常數(shù)的方法，即在兩級板間加云母、塑料膜等介質(zhì)。間加云母、塑料膜等介質(zhì)。00ddCC00dCdCSngdgd00放置云母片的電容器放置云母片的電容器 一般電容式傳感器的起始電容在一般電容式傳感器的起始電容在20pF30pF之間，極板之間，極板間距離在間距離在25m200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在故在微位移測量微位移測量中應(yīng)用中應(yīng)用最廣。最廣。 定極板定極

6、板動極板動極板000ddSCgg式中：式中：g云母的相對介電常數(shù)，云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度；空氣隙厚度； dg云母片的厚度。云母片的厚度。 0002111111dSdSCCCgg可見：云母的相對介電常數(shù)（可見：云母的相對介電常數(shù)（g=7）是空氣介電常數(shù)（）是空氣介電常數(shù)（0=1） 的的7倍，云母的擊穿電壓倍，云母的擊穿電壓1000kv/mm，而空氣的擊穿，而空氣的擊穿 電壓只有電壓只有3kv/mm。因此有了云母片極板間的起始間距。因此有了云母片極板間的起始間距 可大大減小。極大地提高了電容式傳感器的靈敏度可大大減小。極大地提高了電

7、容式傳感器的靈敏度Sn。當動極板向上位移當動極板向上位移時：時：電容器電容器C1的間隙的間隙1變?yōu)樽優(yōu)? ；電容器電容器C2的間隙的間隙2變?yōu)樽優(yōu)?+ ；則：則：20011CC10011CC23100001()().CC23200001()().CC電容值總的變化量為：電容值總的變化量為：24000021 ()().CC電容值相對變化量為：電容值相對變化量為：在在 / / 0 0 1 1時，按級數(shù)展開：時，按級數(shù)展開：3512000022()2().CCCC 差動式電容傳感器差動式電容傳感器靈敏度靈敏度是原來的是原來的2倍倍 零點附近的零點附近的非線性誤差非線性誤差大大大大降低降低。 例例:解

8、：解： 1） 2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格格PF01. 03 . 0/10*213 . 0/10*2*48. 1/1/PF48. 110*3 . 0)10*4(*1085. 8330003231220ddddCCdrdSC 一電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑一電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初，工作初始間隙始間隙d=0.3mm，介電常數(shù)，介電常數(shù)=8.8510-12F/m，試求：，試求：1)工作中，若傳感器與工件的間隙減小量工作中，若傳感器與工件的間隙減小量d=2m, 電容變化量電容變化量是多少是多少?2)若測量電路的靈敏度若測量電路的靈敏度S1=100m

9、v/PF, 讀數(shù)儀表的靈敏度讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格格/mv, 當當d=2m,時，讀數(shù)儀表示值變化多少格時，讀數(shù)儀表示值變化多少格?4.1.3 4.1.3 變介電常數(shù)（變介電常數(shù)（）式電容傳感器）式電容傳感器在電容器兩極板間加以不同介電常數(shù)的介質(zhì)時，電容器的電容量在電容器兩極板間加以不同介電常數(shù)的介質(zhì)時，電容器的電容量也會隨之變化，利用這種原理做成的傳感器在檢測容器中液面高也會隨之變化，利用這種原理做成的傳感器在檢測容器中液面高度、片狀材料厚度等方面得到普遍應(yīng)用度、片狀材料厚度等方面得到普遍應(yīng)用 總電容總電容C C為為rRhrRhCCCln2ln2211221輸出電容輸出電容C C與液面高度

10、與液面高度h1h1成線形關(guān)系成線形關(guān)系 其靈敏度為其靈敏度為rRdhdCKln2211常用變介質(zhì)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式如下圖所示。常用變介質(zhì)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式如下圖所示。用途：用途：測量紙張、絕緣薄膜等的厚度測量紙張、絕緣薄膜等的厚度測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度(1) 變介質(zhì)型傳感器變介質(zhì)型傳感器兩平行電極固定不動，極距為兩平行電極固定不動，極距為d0將相對介電常數(shù)為將相對介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)插入電容器的電介質(zhì)插入電容器深度不同時，改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積深度不同時，改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積傳感器總電容量傳感器總電容

11、量C為：為：00002121)(dLLLbCCCrr式中式中: L0, b0 極板長度和寬度極板長度和寬度; L第二種介質(zhì)進入極板間的長度。第二種介質(zhì)進入極板間的長度。若電介質(zhì)若電介質(zhì)r1=1, 當當L = 0時時, 傳感器初始電容傳感器初始電容: C0=0r L0b0/d0。 當介質(zhì)當介質(zhì)r2 進入極間進入極間L后后, 引起電容的相對變化為引起電容的相對變化為:0000) 1(2LLCCCCCr可見可見, 電容的變化電容的變化C與電介質(zhì)與電介質(zhì)r2的的移動量移動量 L 呈呈線性線性關(guān)系。關(guān)系。 (2)液位傳感器液位傳感器下圖是改變極板間下圖是改變極板間介質(zhì)介質(zhì)的電容式傳感器的一種應(yīng)用，用于測

12、的電容式傳感器的一種應(yīng)用，用于測量液位高低，其結(jié)構(gòu)原理圖如下：量液位高低，其結(jié)構(gòu)原理圖如下：dDnHC120式中：式中：C0由傳感器的基本尺寸由傳感器的基本尺寸 決定的初始電容值；決定的初始電容值； 空氣介電常數(shù)。空氣介電常數(shù)。 被測介質(zhì)的介電常數(shù)為被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為液面高度為 h, 變換器總高度為變換器總高度為H, 內(nèi)筒外徑為內(nèi)筒外徑為 d, 外筒內(nèi)徑為外筒內(nèi)徑為 D則此時變換器電容值為：則此時變換器電容值為： dDhHdDhCln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhCln)(210式中：式中：空氣介電常數(shù)空氣介電常數(shù); C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值由

13、變換器的基本尺寸決定的初始電容值:dDHCln20可見，變換器的可見，變換器的電容增量電容增量C正比于正比于被測液位高度被測液位高度h。dDhCln21電容式液位傳感器不僅能測量腐蝕性液體，電容式液位傳感器不僅能測量腐蝕性液體，還能測量粉塵和固體顆粒，可用于制藥、化工、還能測量粉塵和固體顆粒，可用于制藥、化工、食品等行業(yè)。如啤酒罐裝機酒位測控、奶制品生食品等行業(yè)。如啤酒罐裝機酒位測控、奶制品生產(chǎn)線液位測控、制藥廠反應(yīng)罐、油箱液位測量等。產(chǎn)線液位測控、制藥廠反應(yīng)罐、油箱液位測量等。UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2Cr1Cr2U0U（d）傳感器電容是

14、振蕩器傳感器電容是振蕩器諧振回路諧振回路的一部分。當輸入量使傳感器的一部分。當輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時，振蕩器的電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率振蕩頻率發(fā)生變化。頻率的變發(fā)生變化。頻率的變化經(jīng)過化經(jīng)過鑒頻器鑒頻器變?yōu)樽優(yōu)殡妷鹤兓妷鹤兓?，再?jīng)過，再經(jīng)過放大放大后由記錄器后由記錄器記錄記錄或或顯示顯示儀表指示。儀表指示。LCf21LCf21式中：式中：C振蕩回路的總電容，振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx，其中其中C1為振為振蕩回路固有電容，蕩回路固有電容，C2為傳感器為傳感器引線分布電容，引線分布電容，Cx=C0C為為傳感器的電容。傳感器的電容。 當被測信號為當被測信號為0時，時，

15、C=0，則，則C=C1+C2+C0，所以振蕩所以振蕩器有一個固有頻器有一個固有頻率率f0, 其表示式為其表示式為 LCCCf)(210210當被測信號不為當被測信號不為0時，時，C0， 振蕩器頻率有相應(yīng)變化，振蕩器頻率有相應(yīng)變化， 此時頻率為此時頻率為 ffLCCCCf0021)(21 調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至測量高至0.01m級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強，可以發(fā)送、字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強，可以發(fā)送、 接收，以達到遙測遙接

16、收，以達到遙測遙控的目的?？氐哪康?。 運算放大器式電路運算放大器式電路 將電容傳感器接入開環(huán)放大倍數(shù)將電容傳感器接入開環(huán)放大倍數(shù)為為A A的運算放大電路中，作為電的運算放大電路中，作為電路的反饋組件圖中路的反饋組件圖中U U是交流電源是交流電源電壓，電壓，C C是固定電容，是固定電容，C Cx x是傳感是傳感器電容，器電容，U Uo o是輸出信號電壓是輸出信號電壓 UCCUCjCjUxxO11dAuCUO調(diào)頻電容傳感器4.34.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用1 1電容式應(yīng)變計電容式應(yīng)變計 在被測量的兩個固定點上，裝兩個薄而在被測量的兩個固定點上，裝兩個薄而低的拱弧，方形電極固定在弧的

17、中央，低的拱弧，方形電極固定在弧的中央，兩個拱弧的曲率略有差別當兩固定點受兩個拱弧的曲率略有差別當兩固定點受壓時變換電容值將減?。O間距增大）壓時變換電容值將減?。O間距增大） 2 2電容測厚儀電容測厚儀 把兩塊極板用導(dǎo)線連起來就成為一個把兩塊極板用導(dǎo)線連起來就成為一個極板，而帶材則是電容器的另一極板極板，而帶材則是電容器的另一極板，其總電容，其總電容C CC C1 1+ +C C2 2 如果總電容量如果總電容量C C作為交流電橋的一個作為交流電橋的一個臂，電容的變化將引起電橋的不平衡臂，電容的變化將引起電橋的不平衡輸出，經(jīng)過放大、檢波、濾波，最后輸出，經(jīng)過放大、檢波、濾波，最后在儀表上顯示出

18、帶材的厚度在儀表上顯示出帶材的厚度 3 3電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器 當鋼塊端面承受重量當鋼塊端面承受重量F F時，圓孔將產(chǎn)生時，圓孔將產(chǎn)生形變，從而使每個電容器的極板間距形變，從而使每個電容器的極板間距變小，電容量增大。電容量的增值正變小，電容量增大。電容量的增值正比于被測載荷比于被測載荷F F 4 4濕度傳感器濕度傳感器 當環(huán)境相對濕度改變時，高當環(huán)境相對濕度改變時，高分子薄膜通過網(wǎng)狀下電極吸分子薄膜通過網(wǎng)狀下電極吸收或放出水分，使高分子薄收或放出水分，使高分子薄膜的介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，從膜的介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量變化而導(dǎo)致電容量變化 差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖差動式電容加

19、速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 621C1C25d1d2431固定電極；2絕緣墊；3質(zhì)量塊；4彈簧；5輸出端；6殼體吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜帶帶報警器的家庭使用型報警器的家庭使用型 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。 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)？非齊平式非齊平式 壓力的國際單位為壓力的國際單位為“帕斯卡帕斯卡”，簡稱，簡稱“帕帕”（Pa）。）。 除此之外，工程界長期使用許多不同的除此之外，工程界長期使用許多不同的壓力計量單位。如壓力計量單位。如“工程大氣壓工程大氣壓”、“標準標準大氣壓大氣壓”、“毫米汞柱毫米汞柱”，氣象學(xué)中還用，氣象學(xué)中還用“巴巴”（bar）和和“托托”為壓力單位。這些為壓力單位。這些單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。單位在一些進口儀表說明書上可能還會見到。 高壓側(cè)高壓側(cè)進氣口進氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進氣口進氣口電子電子線路線路位置位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置（參考（參考丹東長丹東長隆隆 自控有限公自控有