CH3電容式傳感器1 (2)課件

學(xué)習(xí)要求：1、掌握變極距、變面積、變介質(zhì)電容式傳感器的工作原理，特點(diǎn)及應(yīng)用。2、熟悉常用電容式傳感器的常用檢測(cè)電路及特點(diǎn)。3、學(xué)習(xí)應(yīng)用電容式傳感器。

第三章電容式傳感器2/6/202312/6/20232電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上,它本身（或/和被測(cè)物）就是一個(gè)可變電容器。

被測(cè)量的變化電容式傳感器電容量的變化

被測(cè)量：位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量及成份分析等,精度可達(dá)0.01%，250mm量程可達(dá)5um。電容式傳感器作為頻響寬、應(yīng)用廣、非接觸測(cè)量的一種傳感器，是很有發(fā)展前途的。2/6/202333.1電容式傳感器的工作原理及類型當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)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(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)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(yīng)用較廣。++++++2/6/20235圖4-1電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式圖(b)、(c)、(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。2/6/202362/6/20237

3·2·1變極距電容式傳感器

當(dāng)電容器板間極距d縮小Δd，電容器增大ΔC。

可見(jiàn)ΔC與Δd并不是純粹線性關(guān)系。當(dāng)Δd<<d時(shí)，，

靈敏度可見(jiàn)在d越小時(shí)靈敏度越高。在測(cè)量微小量變化時(shí)，可以近似認(rèn)為

3.2電容式傳感器的靈敏度及非線性2/6/20239變極距電容式傳感器在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以很大，從而使傳感器靈敏度提高。d0過(guò)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，2/6/202310式中：εg——云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；

ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。此時(shí)電容C變?yōu)椋?/6/202311云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)，dg/ε0εg項(xiàng)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20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。2/6/202313實(shí)際應(yīng)用中，常常采用差動(dòng)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(dòng)型電容式傳感器2/6/2023143.2.2變面積型直線位移測(cè)量2/6/2023153、圓柱型位移量2/6/2023173.2.3變介質(zhì)型電容式傳感器2/6/202318式中：ε——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(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，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(shí)變換器電容值為2/6/202319變介質(zhì)型電容式傳感器圖中兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度進(jìn)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)εr2的移動(dòng)量L成線性關(guān)系。2/6/202321電容式傳感器應(yīng)用2/6/202322電容式接近開關(guān)振蕩電路被測(cè)物體感應(yīng)電極被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。2/6/2023233.3.2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)：2/6/202325若Cp很小，則對(duì)C求導(dǎo)：等效電容靈敏度：

等效電路2/6/2023263.4電容式傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)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(cè)量電路檢出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)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。2/6/2023273·4·1

調(diào)頻測(cè)量電路調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)，ΔC為零。當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，C產(chǎn)生變化ΔC，相應(yīng)引起Δf的變化為2/6/2023293·4·2調(diào)幅電路①交流電橋法

設(shè)C1=C2=C3=CX=C,則CX改變時(shí)：，電橋平衡2/6/202330②諧振法L,Cx構(gòu)成振蕩電路。2/6/202331

3·4·3運(yùn)算放大器式測(cè)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(guān)系，使電容式傳感器的應(yīng)用受到了一定的限制。采用比例運(yùn)算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)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(yùn)算關(guān)系為輸出電壓與電容傳感器的間隙成線性關(guān)系。

2/6/2023323.4.4二極管雙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(duì)稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。2/6/202333二極管雙T形交流電橋2/6/202334當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，C1=C2。其電路工作原理如下：當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)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(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過(guò)電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I1。當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)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(shí)，C2通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I2。根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零。2/6/202335若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I2,此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)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(gè)周期內(nèi)平均值為式中,f為電源頻率。2/6/202336可見(jiàn)，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)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(dāng)電源頻率為1.3MHz，電源電壓U=46V時(shí)，電容在-7~7pF變化，可以在1MΩ負(fù)載上得到-5~5V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(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)U幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，約為1~100kΩ。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1kΩ的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20μs左右，故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。2/6/2023373·5

電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。還可以用來(lái)測(cè)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(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時(shí)被測(cè)物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。2/6/202338差分電容壓力傳感器：差分式電容測(cè)壓傳感器由兩個(gè)相同的可變電容組成。在被測(cè)壓力的作用下，一個(gè)電容的電容量增大,而另一個(gè)則相應(yīng)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(cè)壓傳感器加工較困難，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體或液體的密封，因此這種結(jié)構(gòu)的傳感器不宜于工作在含腐蝕或其他雜質(zhì)的流體中。3·5

電容式傳感器的應(yīng)用舉例2/6/202339差分電容壓力傳感器圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。2/6/202340電容式加速度傳感器當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)