第3章電容式傳感器及應(yīng)用

第3章電容式傳感器及應(yīng)用2/6/20231引言電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器。結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈震動等惡劣條件下工作。很有發(fā)展前途的傳感器。2/6/20232目錄3.1電容式傳感器工作原理及類型3.2電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路3.3電容式傳感器的應(yīng)用2/6/202333.1電容式傳感器工作原理及類型由絕緣介質(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(yīng)，其電容量為保持其中兩個參數(shù)不變，僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式3種類型。 2/6/202343.1.1變面積式電容傳感器面積變化式電容傳感器在工作時的極距、介質(zhì)等保持不變，被測量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。變面積式電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的，稱為定極板，另一個是可移動的，稱為動極板。2/6/20235面積變化型電容傳感器原理2/6/20236（a）為平板形位移電容傳感器。設(shè)兩個相同極板的長為b，寬為a，極板間距離為d，當(dāng)動極板移動x后，電容Cx也隨之改變。電容的相對變化量和靈敏度為

2/6/20237差動結(jié)構(gòu)形式提高測量精度，減少動極板與定極板之間的相對極距可能變化而引起的測量誤差。中間極板移動變面積式電容傳感器原理2/6/20238（b）為圓柱線位移電容傳感器靈敏度K也為一常數(shù)。2/6/20239（c）為角位移形式的電容傳感器。當(dāng)動極板有一角位移時，兩極板的相對面積A也發(fā)生改變，導(dǎo)致兩極板間的電容量發(fā)生變化當(dāng)時當(dāng)時 2/6/202310推導(dǎo)過程電容與角位移成線性關(guān)系。其靈敏度為變面積式電容傳感器的輸出是線性的，靈敏度K是一常數(shù)。2/6/2023113.1.2變極距式電容傳感器兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保持不變，則電容量C隨極距d按非線性關(guān)系變化，2/6/202312電容值動極板2未動時傳感器初始電容（）。當(dāng)動極板2移動x值后，2/6/202313結(jié)論分析當(dāng)時

電容與x

近似線性關(guān)系，但量程縮小很多，變極距式電容傳感器的靈敏度為

2/6/202314極距變化型電容傳感器的靈敏度與極距的平方成正比，極距越小靈敏度越高。但過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。原理上的非線性，要修正。差動工作方式，電容傳感器的靈敏度提高了一倍，非線性得到了很大的改善，2/6/202315結(jié)論極距變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)動態(tài)非接觸測量，動態(tài)響應(yīng)特性好，靈敏度和精度極高（可達(dá)nm級），適應(yīng)于較小位移（1nm～1m）的精度測量。但傳感器存在原理上的非線性誤差，線路雜散電容（如電纜電容、分布電容等）的影響顯著，為改善這些問題而需配合使用的電子電路比較復(fù)雜2/6/2023163.1.3變介電常數(shù)式電容傳感器介質(zhì)變化型電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。主要用來測量兩極板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。2/6/202317介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)2/6/202318結(jié)論傳感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面h成線性關(guān)系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。2/6/2023193.2電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化后，還需由后接的轉(zhuǎn)換電路將電容的變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化。2/6/202320轉(zhuǎn)換電路的組成部分1．交流電橋2．調(diào)頻電路3．運(yùn)算放大式電路4．脈沖寬度調(diào)制電路5．二極管雙T型交流電橋2/6/2023211．交流電橋?qū)㈦娙輦鞲衅鞯膬蓚€電容作為交流電橋的兩個橋臂，通過電橋把電容的變化轉(zhuǎn)換成電橋輸出電壓的變化。電橋通常采用由電阻-電容、電感-電容組成的交流電橋，圖3-6為電感-電容電橋。2/6/202322分析變壓器的兩個二次繞組L1、L2與差動電容傳感器的兩個電容C1、C2作為電橋的4個橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調(diào)幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應(yīng)的輸出，最后為儀表顯示記錄。2/6/2023232．調(diào)頻電路把傳感器接入調(diào)頻振蕩器的LC諧振網(wǎng)絡(luò)中，被測量的變化引起傳感器電容的變化，繼而導(dǎo)致振蕩器諧振頻率的變化。頻率的變化經(jīng)過鑒頻器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)過放大器放大后輸出。2/6/2023242．調(diào)頻電路的特點(diǎn)測量電路的靈敏度很高，可測0.01m的位移變化量，抗干擾能力強(qiáng)（加入混頻器后更強(qiáng)），缺點(diǎn)是電纜電容、溫度變化的影響很大，輸出電壓U0與被測量之間的非線性一般要靠電路加以校正，因此電路比較復(fù)雜。2/6/2023253．運(yùn)算放大式電路極距變化型電容傳感器的電容與極距之間的關(guān)系為反比關(guān)系，傳感器存在原理上的非線性。利用運(yùn)算放大器的反相比例運(yùn)算可以使轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與極距之間關(guān)系變?yōu)榫€性關(guān)系，從而使整個測試裝置的非線性誤差得到很大的減小。2/6/202326特點(diǎn)運(yùn)算式電路的原理較為簡單，靈敏度和精度最高。但一般需用“驅(qū)動電纜”技術(shù)來消除電纜電容的影響，電路較為復(fù)雜且調(diào)整困難。2/6/2023274．脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路（PWM）是利用傳感器的電容充放電使電路輸出脈沖的占空比隨電容式傳感器的電容量變化而變化，然后通過低通濾波器得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。2/6/2023282/6/202329特點(diǎn)能獲得線性輸出；雙穩(wěn)態(tài)輸出信號一般為100kHz～1MHz的矩形波，所以直流輸出只需經(jīng)濾波器簡單引出，不需要解調(diào)器，即能獲得直流輸出。電路采用穩(wěn)定度較高的直流電源，這比其他測量線路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的交流電源易于做到。如果將雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器Q端的電壓信號送到計(jì)算機(jī)的定時、計(jì)數(shù)引腳，則可以用軟件來測出占空比q，從而計(jì)算出ΔC的數(shù)值。這種直接采用數(shù)字處理的方法不受電源電壓波動的影響2/6/2023305．二極管雙T型交流電橋二極管雙T型交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供幅值為Ui的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的2個二極管，R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。2/6/2023313.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度及荷重等機(jī)械量的精密測量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測量。2/6/202332分類1．電容式接近開關(guān)2．電容式油量表3．電容式差壓傳感器4．電容測厚儀2/6/2023331．電容式接近開關(guān)1—檢測極板2—充填樹脂3—測量轉(zhuǎn)換電路4—塑料外殼

5—靈敏度調(diào)節(jié)電位器6—工作指示燈7—信號電纜2/6/202334工作過程（1）檢測極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端，測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)殼體內(nèi)，用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹脂填充、灌封。當(dāng)沒有物體靠近檢測極時，檢測板與大地間的電容量C非常小，它與電感L構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)（Q）的LC振蕩電路，Q=1（ωCR）。當(dāng)被檢測物體為地電位的導(dǎo)電體（如與大地有很大分布電容的人體、液體等）時，檢測極板對地電容C增大，LC振蕩電路的Q值將下降，導(dǎo)致振蕩器停振。2/6/202335工作過程（2）當(dāng)不接地、絕緣被測物體接近檢測極板時，由于檢測極板上施加有高頻電壓，在它附近產(chǎn)生交變電場，被檢測物體就會受到靜電感應(yīng)，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，正負(fù)電荷分離，使檢測極板的對地等效電容量增大，使LC振蕩電路的Q值降低。對能量損耗較大的介質(zhì)（如各種含水有機(jī)物），它在高頻交變極化過程中是需要消耗一定能量的，該能量是由LC振蕩電路提供的，必然使Q值進(jìn)一步降低，振蕩減弱，振蕩幅度減小。當(dāng)被測物體靠近到一定距離時，振蕩器的Q值低到無法維持振蕩而停振。根據(jù)輸出電壓U0的大小，可大致判定被測物接近的程度。2/6/202336電容式接近開關(guān)2/6/2023372．電容式油量表1—油料2—電容器3—伺服電機(jī)4—減速器5—指示表盤2/6/202338工作原理當(dāng)油箱中注入油時，液位上升至h處，電容的變化量ΔCX與h成正比，電容為CX=CX0+ΔCX。此時，電橋失去平衡，電橋的輸出電壓U0經(jīng)放大后驅(qū)動伺服電動機(jī)，由減速箱減速后帶動指針順時針偏轉(zhuǎn)，同時帶動RP滑動，使RP的阻值增大，當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，U0=0，伺服電動機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角θX1處。可從油量刻度盤上直接讀出油位的高度h。當(dāng)油箱中的油位降低時，伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)，同時帶動RP滑動，使其阻值減少。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，U0=0，于是伺服電動機(jī)再次停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角θX2處。如此，可判定油箱的油量。2/6/2023393．電容式差壓傳感器

1—彈性膜片2—凹玻璃圓片3—金屬涂層

4—輸出端子5—空腔6—過濾器7—?dú)んw2/6/202340工作原理當(dāng)被測壓力通過過濾器6進(jìn)入空腔5時，金屬彈性膜片1在兩側(cè)壓力差作用下，將凸向壓力低的一側(cè)。膜片和兩個鍍金玻璃圓片2之間的電容量發(fā)生變化，由此可測得壓力差。這種傳感器分辨率很高，常用于氣、液的壓力或壓差及液位和流量的測量。2/6/202341電容式差壓變送器外形2/6/2023424