CH3電容式傳感器課件

1、2022/8/161第1頁，共42頁。2022/8/162電容式傳感器 電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉換成電容變化量的一種傳感器。實際上,它本身（或/和被測物）就是一個可變電容器。 被測量的變化 電容式傳感器 電容量的變化 被測量：位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉速、流量及成份分析等, 精度可達 0.01%，250mm量程可達5um。 電容式傳感器作為頻響寬、應用廣、非接觸測量的一種傳感器，是很有發(fā)展前途的。第2頁，共42頁。2022/8/1633.1 電容式傳感器的工作原理和結構 由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為 式中:

2、電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)， =0r，其中0為真空介電常數(shù)，r極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)； S兩平行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的距離。 +dS第3頁，共42頁。2022/8/1643.1 電容式傳感器的工作原理及類型當被測參數(shù)變化使得式中的S、 d或發(fā)生變化時， 電容量C也隨之變化。保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。因此，電容式傳感器可分為變極距型、 變面積型和變介電常數(shù)型三種。其中變極距型和變面積型應用較廣。 +第4頁，共42頁。2022/8/165圖4-1 電容式傳感元件的各種結構形式圖(b)、 (c)、

3、(d)、 (f)、 (g)和(h)為變面積型， 圖(a)和(e)為變極距型， 圖(i)(l)則為變介電常數(shù)型。第5頁，共42頁。2022/8/166第6頁，共42頁。2022/8/167駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 第7頁，共42頁。2022/8/168 321 變極距電容式傳感器 當電容器板間極距d 縮小d，電容器增大C。 可見C與d 并不是純粹線性關系。 當dd 時， ， 靈敏度 可見在d越小時靈敏度越高。在測量微小量變化時，可以近似認為

4、3.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性第8頁，共42頁。2022/8/169變極距電容式傳感器在d0較小時，對于同樣的d變化所引起的C可以很大，從而使傳感器靈敏度提高。d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可部分采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì), 如下圖，第9頁，共42頁。2022/8/1610式中：g云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 此時電容C變?yōu)椋旱?0頁，共42頁。2022/8/1611電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù) 第11頁，共42頁。2022/8/1612云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1

5、000 kV/mm，而空氣僅為3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時，dg/0g項是恒定值， 它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。 一般變極距電容式傳感器的起始電容在20100pF之間， 極板間距離在25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應小于間距的1/10， 故在微位移測量中應用最廣。 第12頁，共42頁。2022/8/1613 實際應用中，常常采用差動型電容式傳感器。 作用：改善非線性，提高靈敏度，減少外界因素影響。差動型電容式傳感器第13頁，共42頁。2022/8/16143.2.2 變面積型直線位移測量第14頁，共42頁。2022/8/16152、角位移量第15頁

6、，共42頁。2022/8/16163、圓柱型位移量第16頁，共42頁。2022/8/16173.2.3 變介質(zhì)型電容式傳感器第17頁，共42頁。式中：空氣介電常數(shù)； C0變換器初始電容值, 即 3.2.3 變介質(zhì)型電容式傳感器如圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測量液位高低的結構原理圖。設被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為h, 變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時變換器電容值為第18頁，共42頁。2022/8/1619變介質(zhì)型電容式傳感器可見，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。 變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結構形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡

7、織品、木材或煤等非導電固體介質(zhì)的濕度。第19頁，共42頁。2022/8/1620變介質(zhì)型電容式傳感器圖中兩平行電極固定不動，極距為d0，相對介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度進入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。 傳感器總電容量C為電容量的變化與電介質(zhì)r2的移動量L成線性關系。 第20頁，共42頁。2022/8/1621電容式傳感器應用第21頁，共42頁。電容式接近開關振蕩電路被測物體感應電極被測電容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，物體和接近開關的介電常數(shù)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.接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可

8、以是絕緣的液體或粉狀物體。第22頁，共42頁。2022/8/16233.3 電容式傳感器的特點及等效電路3.3.1 特點：優(yōu)點：1、溫度穩(wěn)定性好。2、結構簡單，適應性強。3、動態(tài)響應性好。4、可以實現(xiàn)非接觸測量。5、可以實現(xiàn)微壓、微力、微小位移、加速度等的測量。 缺點：1、輸出阻抗高，負載能力差。2、寄生電容影響大。3、輸出特性非線性。第23頁，共42頁。2022/8/16243.3.2 等效電路R,L 傳輸線的電阻和電感 C 傳感器的電容； Cp 寄生電容； Rp 極間漏電阻（絕緣電阻）；A，B端等效電容 Ce (忽略Rp, R 的影響)： 第24頁，共42頁。2022/8/1625若Cp

9、很小，則 對C 求導： 等效電容靈敏度： 等效電路第25頁，共42頁。2022/8/16263.4 電容式傳感器檢測轉換電路電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小, 這樣微小的電容量很難直接為目前的顯示儀表所顯示, 也很難為記錄儀所接受, 不便于傳輸。必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量, 并將其轉換成與其成單值函數(shù)關系的電壓、電流或者頻率。電容轉換電路有調(diào)頻電路、運算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。第26頁，共42頁。2022/8/16273.4.1 調(diào)頻測量電路 調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當輸入量導致電容量發(fā)生變化時, 振蕩器的振

10、蕩頻率就發(fā)生變化。 將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量, 可以用來判斷被測非電量的大小, 但此時系統(tǒng)是非線性的, 不易校正, 因此加入鑒頻器, 將頻率的變化轉換為振幅的變化, 經(jīng)過放大處理后輸入顯示或記錄等儀器。 第27頁，共42頁。2022/8/1628341 調(diào)頻測量電路 調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為： 當被測信號為0時，C 為零。當被測信號不為0時，C產(chǎn)生變化C，相應引起f 的變化為第28頁，共42頁。2022/8/1629342調(diào)幅電路交流電橋法 設C1=C2=C3=CX=C,則CX改變時：，電橋平衡第29頁，共42頁。2022/8/1630諧振法L,Cx構成振蕩電路。第30頁，共42頁。2022/

11、8/1631 343 運算放大器式測量電路 變極距型電容式傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關系，使電容式傳感器的應用受到了一定的限制。采用比例運算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關系轉換為線性關系。如下圖所示，反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容Ci，Ui為穩(wěn)定的工作電壓。由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運算關系為輸出電壓與電容傳感器的間隙成線性關系。 第31頁，共42頁。2022/8/16323.4.4 二極管雙T形交流電橋 二極管雙T形交流電橋電路原理圖。e是高頻電源， 它提供了幅值為U的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定

12、電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。第32頁，共42頁。2022/8/1633 二極管雙T形交流電橋 第33頁，共42頁。2022/8/1634 當傳感器沒有輸入時，C1=C2。其電路工作原理如下：當e為正半周時，二極管VD1導通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖（b）所示；在隨后負半周出現(xiàn)時，電容C1上的電荷通過電阻R1，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。當e為負半周時，VD2導通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時， C2通過電阻R2，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I2 。根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2，且

13、方向相反，在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。 第34頁，共42頁。2022/8/1635 若傳感器輸入不為0，則C1C2, I1I2, 此時在一個周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零， 因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內(nèi)平均值為 式中, f 為電源頻率。 第35頁，共42頁?？梢?，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關，而且與T形網(wǎng)絡中的電容C1和C2的差值有關。當電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。該電路輸出電壓較高，當電源頻率為1.3 MHz，電源電壓U=46V時，電容在-77 pF變化，可以在1M負載上得到-55V的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關，

14、故輸入電源要求穩(wěn)定。 當U幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時，測量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關，而僅與R1、 R2及RL有關，約為1100k。輸出信號的上升沿時間取決于負載電阻。對于1 k的負載電阻上升時間為20s左右， 故可用來測量高速的機械運動。第36頁，共42頁。2022/8/163735 電容式傳感器的應用舉例電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量。還可以用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動檢測和

15、控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。當測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時被測物是電容器的一個電極，另一個電極則在傳感器內(nèi)。第37頁，共42頁。2022/8/1638差分電容壓力傳感器：差分式電容測壓傳感器由兩個相同的可變電容組成。在被測壓力的作用下，一個電容的電容量增大,而另一個則相應減小。差分式的電容傳感器比單極式的電容傳感器靈敏度高、線性好。但差分式測壓傳感器加工較困難，不易實現(xiàn)對被測氣體或液體的密封，因此這種結構的傳感器不宜于工作在含腐蝕或其他雜質(zhì)的流體中。35 電容式傳感器的應用舉例第38頁，共42頁。2022/8/1639差分電容壓力傳感器圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構成差動電容器。 當被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時，所形成的兩個電容器的電容量，一個增大，一個減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉換成與壓力或壓力差相對應的電流或電壓的變化。 第39頁，共42頁。2022/8/1640電容式加速度傳感器當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個增