電容式傳感器

關(guān)于電容式傳感器第1頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三一、電容傳感器簡介

電容傳感器是一種將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容式變化的傳感器。電容式傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長以及可以進(jìn)行非接觸測量等特點，非常適合在高潮濕、高塵埃及超高低溫等惡劣環(huán)境下長期使用，廣泛應(yīng)用于壓力、差壓、液壓、振動、加速度、成分含量等方面的測量。

第2頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

二、電容式傳感器的分類及工作原理分類：按工作方式分類1.變極距型電容傳感器2.變面積型電容傳感器3.變介電常數(shù)型電容傳感器第3頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1變極距型電容傳感器

S——極板相對覆蓋面積；

d——極板間距離；

εr——相對介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)；

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。

dSε

固定極板A活動極板B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。第4頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三dSε

固定極板A活動極板B初始電容:若極距縮小△d非線性關(guān)系若△d/d<<1時，則上式可簡化為:最大位移應(yīng)小于間距的1/10差動式改善其非線性第5頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三兩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，第6頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分析動極板2未動時傳感器初始電容當(dāng)動極板2移動x值后，第7頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三分析當(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

第8頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

結(jié)論極距變化型電容傳感器可實現(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。但極距過小，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。

第9頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2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。第10頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三面積變化型電容傳感器原理當(dāng)動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電容變化量化為△C與△x間呈線性關(guān)系固定極板A活動極板B第11頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三第12頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三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第13頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三圓柱形線位移傳感器第14頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三第15頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三第16頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三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 第17頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三推導(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)。第18頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三3變介電常數(shù)型電容式傳感器當(dāng)L=0時，傳感器的初始電容當(dāng)被測電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對變化量為：電容變化量與電介質(zhì)移動量L呈線性關(guān)系第19頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三結(jié)論介質(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。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。第20頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

三、電容的選擇

常見的電容材料：云母電容：用金屬箔或者在云母片上噴涂銀層做電極板，極板和云母一層一層疊合后，再壓鑄在膠木粉或封固在環(huán)氧樹脂中制成。它的特點是介質(zhì)損耗小，絕緣電阻大、溫度系數(shù)小，適宜用于高頻電路。陶瓷電容：用陶瓷做介質(zhì)，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質(zhì)薄膜做極板制成。它的特點是體積小，耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適宜用于高頻電路。鐵電陶瓷電容：容量較大，但是損耗和溫度系數(shù)較大，適宜用于低頻電路。薄膜電容：結(jié)構(gòu)和紙介電容相同，介質(zhì)是滌綸或者聚苯乙烯。滌綸薄膜電容，介電常數(shù)較高，體積小，容量大，穩(wěn)定性較好，適宜做旁路電容。聚苯乙烯薄膜電容，介質(zhì)損耗小，絕緣電阻高，但是溫度系數(shù)大，可用于高頻電路。第21頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/322四·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。第22頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/323轉(zhuǎn)換電路的組成部分1．交流電橋2．調(diào)頻電路3．運算放大式電路4．脈沖寬度調(diào)制電路5．二極管雙T型交流電橋第23頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/324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，圖為電感-電容電橋。第24頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/325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。第25頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/326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。第26頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/327調(diào)頻電路的特點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。第27頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/328運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。利用運算放大器的反相比例運算可以使轉(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。特點：運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)整困難第28頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號

運算放大器式電路原理圖uCACx～u0由運算放大器工作原理可知式中“負(fù)號”表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。上式說明與d成線性關(guān)系第29頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/330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。第30頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/331第31頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/332特點能獲得線性輸出；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算機(jī)的定時、計數(shù)引腳，則可以用軟件來測出占空比q，從而計算出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第32頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/333二極管雙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。第33頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/334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。第34頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/3351．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．電容測厚儀第35頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/336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—信號電纜第36頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/337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。第37頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/338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。第38頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/339電容式接近開關(guān)第39頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/340電容式油量表1—油料2—電容器3—伺服電機(jī)4—減速器5—指示表盤第40頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/341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?？蓮挠土靠潭缺P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。第41頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2023/7/342電容式差壓傳感器1—彈性膜片2—凹玻璃圓片3—金屬涂層