傳感器技術應用-3

2023年12月31日第3章

電容式傳感器

本章的主要內容有:1.電容式傳感器的結構原理;2.電容式傳感器的主要測量電路;3.電容式傳感器的結構類型;4.電容式傳感器的典型應用;通過學習要求掌握電容式傳感器的正確選用方法。2023年12月31日第二章主要講述了電阻式傳感器，其主要內容有：回顧：1、定義：電阻式傳感器2、分類：1）按工作的原理可分2）按制作方式分3、電阻應變式傳感器--應變片1）原理：:是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器。基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化象。2023年12月31日3）金屬絲應變片：對金屬材料，導電率不變：2）應變片的電阻變化率：4）半導體應變計2023年12月31日4、應變片測量電路VER1R2R3R42023年12月31日第3章

電容式傳感器

1、變換原理:將被測量的變化轉化為電容量變化2、優(yōu)點：結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應特性好、適應性強、抗過載能力大及價格低廉。3、缺點：電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點也給它的應用帶來一定的局限4、應用：測量壓力、力、位移、振動、液位等參數。2023年12月31日3.1電容式傳感器的原理與類型

電容式傳感器的基本工作原理如圖所示，從中可看出，?，A，d三個參數都直接影響著電容量C的大小。所以電容式傳感器可以分為三種類型：1、改變極板面積的變面積式；2、改變極板距離的變間隙式；3、改變介電常數的變介電常數式。

+++

A

δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。2023年12月31日3.1.1變面積式電容傳感器（1）直線位移型當動極板移動△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為其靈敏度為變面積式電容傳感器的靈敏度為常數，即輸出與輸入呈線形關系。2023年12月31日下圖是角位移型電容式傳感器。當動片有一角位移時，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導致電容量的變化，此時電容值為

角位移型+++（2）角位移型2023年12月31日（3）園柱型電容傳感器下圖是園柱型，當動極板有一線位移時，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導致電容量的變化2023年12月31日3.1.2變間隙式電容傳感器（改變極間距離）

下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。當活動極板因被測參數的改變而引起移動時，兩極板之間的電容量C就改變了。

設極板面積為A，其靜態(tài)電容量為，當活動極板移動x后，其電容量為

2023年12月31日例：電容式傳聲器2023年12月31日

4、一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數高的物質來提高絕緣性，1、電容量C與x不是線性關系，只有當

x＜＜d時，才可認為是最近似線形關系。2、要提高靈敏度，應減小起始間隙d過小。3、當d過小時，又容易引起擊穿，同時加工精度要求也高了。5、在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動式結構。

討論：當x＜＜d時則2023年12月31日3.1.3變介電常數式電容傳感器

1）當電介質改變時，電容量也會變化，可用下式表示。上圖為介質面積變化的電容式傳感器。這種傳感器可用來測量物位或液位，也可測量位移。2023年12月31日振蕩電路感應電極被測物體2）應用舉例1：電容式接近開關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.由此便可控制開關的接通和關斷;接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。2:電容式轉速傳感器的結構原理2023年12月31日3.2常用測量電路

3.2.1雙T電橋電路

1）測量電路電路原理如圖所示。圖中C1、C2為差動電容式傳感器的電容，RL為負載電阻，V1、V2為理想二極管，R1、R2為固定電阻。2）原理分析見下圖圖3.2.1雙T電橋電路C1C2R2R1RL～uV2V1常用電路有:雙T電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調制電路、調頻電路。2023年12月31日當V1導通、V2截止時C1充電；反之V1截止、V2導通時C2充電，由圖中可以看出，一路通過R1、RL，另一路通過R1、R2、V2，這時流過RL的電流為i1。

若C1或C2變化時，在負載RL上產生的平均電流將不為零，因而有信號輸出。

I.

有一個公共接地點。II.

V1和V2工作在伏安特性的線性段。III.

輸出電壓較高。IV.

靈敏度與電源頻率有關。V.

可以用作動態(tài)測量。3）雙T電橋電路的特點：2023年12月31日3.2.2運算放大器式測量電路

電路的原理如上圖所示。其輸出電壓以代入上式，則有輸出電壓u0與動極片位移d成線性關系。

2023年12月31日3.2.3脈沖調制電路

這種電路根據差動電容C1和C2的大小控制直流電壓的通斷，所得方波與C1和C2有確定的函數關系。線路的輸出端就是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出端。當C1=C2時，兩個電容充電時間常數相等，兩個輸出脈沖寬度相等輸出電壓的平均值為零。反之不為零，且T1正比于C1，而T2正比于C2，輸出電壓為可見，輸出電壓與電容變化成線性關系。

2023年12月31日3.2.4調頻電路

測量電路見下圖。當電容變化時導致振蕩頻率變化，再通過監(jiān)頻電路將其轉換為振幅的變化，經放大后即可顯示，這種方法稱為調頻法。振蕩頻率為2023年12月31日3.3電容式傳感器的應用

3.3.1在物位測控中的應用

3.3.1.1LP-5000系列電容物位變送器

可用于高壓、真空、高溫、低溫、密封罐內的酸、堿、鹽等強腐蝕液體、強震動等的液位、料位測量，卻是許多種類的物、液位計望塵莫及的。

3.3.1.2CTS-DFD電容式物位限位開關這是一種具有高-高、高、低、低-低四點報警開關量輸出的射頻電容式物位開關，可用于各種物料作物位高度的粗略顯示，或同時作物位高度的控制和報警使用。2023年12月31日3.3.2在壓力測量中的應用

3.3.2.1

CCPS32陶瓷電容壓力傳感器CCPS32干式陶瓷電容厚膜壓力傳感器的高輸出，廣量程，特別適合制造高性能的工業(yè)控制用壓力變送器。大圓形膜片表面平整、易安裝，是歐美E+H、ABB、SIEMENS、H&Ｂ、VEGA等公司壓力變送器生產首選傳感器。3.3.2.2FB0802陶瓷電容型壓力變送器FB0802陶瓷電容壓力變送器采用具有國際先進水平的陶瓷電容傳感器，配合高精度電子元件，經嚴格的工藝過程裝配而成?？惯^載和抗沖擊能力強，穩(wěn)定性高，并有很高的測量精度。2023年12月31日3.3.2.31151系列電容式變送器1151系列電容式變送器是引進美國羅斯蒙特公司技術制造的產品,具有設計原理新穎、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡便、本質安全防爆等特點。其外形結構如圖所示。

1）工作原理被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在δ元件(即敏感元件)的兩側隔離膜片上，通過隔離膜片和δ元件內的填充液傳到預張緊的測量膜片兩側。當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電容就不等，通過檢測，放大轉換成4-20mA的2023年12月31日

2）主要特點I.

精度高、穩(wěn)定性好、價格比同類進口便宜；II.

采用二線制的工作方式；III.

敏感元件小型堅固，抗振能力強；IV.

量程和零位可從外部連續(xù)調節(jié)；V.

主要部件可與1151同類產品進行互換；VI.

可靠性好，質量穩(wěn)定，VII.

故障率少；VIII.

正遷移可達500％，負遷移可達600；

2023年12月31日3.3.3在位移測量中的應用

3.3.3.1capaNCDT610電容式位移傳感器其結構如左圖所示。傳感器產生的交流電壓與電容電極之間的距離成正比，經檢波器與一個可設置的補償電壓疊加經放大后作為模擬信號輸出。

1)應用領域主要用于震動、偏心、裂紋、振蕩、同心度、位移、膨脹、撓度、波動、傾斜、尺寸公差、另件識別、

沖擊、軸向振動、軸承振動和油膜間隙等。

2023年12月31日

2）特點：I.

工作時無磨損，免維修；II.

高的零點穩(wěn)定性和精度；III.

幾乎與溫度無關；IV.

傳感器對被測體沒有作用力；V.

與被測體導電性能，以及導電性能變化無關；

2023年12月31日3）系統(tǒng)結構

它是一個精密的單通道系統(tǒng)，它由電容位移傳感器，傳感器電纜和處理信號的前置器組成。用戶可以在現場用二點線性化方法校準。如下圖主要由傳感器、電纜、前置放大器、供電電纜和電源五個部分。2023年12月31日

其中，前置器DT610：供電±15VDC；輸出0—10V；（可選）DC24：供電DC24VDC；輸出0—10V；或DC9/36：供電9—36VDC；輸出0—10V。4）技術參數在室溫20℃，傳感器電纜長為1米的情況下測得的。在被測材料為金屬材料時，測量信號線性特性，不需重新校準。導電性能的變化不會影響傳感器靈敏度和線性。

2023年12月31日

5）線性化校準

它在出廠時已用金屬材料校準好，輸出0—10V。

在精度低時測量范圍可擴展2-3倍，如下圖所示。

6）傳感器和電纜傳感器帶有保護環(huán)，它用1米長電纜同前置器連接起來。應用時，無須再校準，靈敏度誤差在0.5—1%以內。特殊傳感器請咨詢。所有傳感器無安裝座，也能簡單安裝。固定通常用埋頭螺釘或者開口夾（如右圖所示）。2023年12月31日3.3.3.2TR230型容柵測微傳感器

1)工作原理如圖所示，容柵傳感器是一種無差調節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本測量部分是一個差動電容器，它是利用電容的電荷耦合方式將機械位移量轉變成為電信號的相應變化量，將該電信號送入電子電路后，再經過一系列變換和運算后顯示出機械位移量的大小。2)外型尺寸

具體結構尺寸為：TR230型的L0=31（mm），L=194（mm）；2023年12月31日3）技術指標I.

測量范圍：0-30mm/0-50mm/0-100mmII.

分辨率：0.01mm、0.005mmIII.測力：≤2.5NIV.

最大移動速度：1.5M/sV.

工作溫度：10℃-40℃VI.

存儲溫度：0℃-55℃2023年12月31日3.3.4電容式指紋傳感器

電容式指紋傳感器有單觸型和劃擦型兩種，是目前最新型的固態(tài)指紋傳感器，它們都是通過在觸摸過程中電容的變化來進行信息采集。3.3.4.1指紋檢測人類的指紋由緊密相鄰的凹凸紋路構成，通過對每個像素點上利用標準參考放電電流，便可檢測到指紋的紋路狀況。每個像素先預充電到某一參考電壓，然后由參考電流放電。電容陽極上電壓的改變率與其上的電容成下面的比例關系：

Iref=C×dv/dt

處于指紋的凸起下的像素(電容量高)放電較慢，而處于指紋的凹處下的像素(電容量低)放電較快。2023年12月31日3.3.4.2信息及認證便攜式低成本指紋識別技術對我們的生活意義深遠。例如，今后警察可在一個犯罪高發(fā)區(qū)截住一名嫌疑人，要求其提供指紋而不是身份證或汽車駕照。此人則將其右手的第一、二或第三個手指置于一個與無線PDA相連的傳感器上，可以迅速將嫌疑人與以前的犯罪記錄進行對比確認。這種識別技術對于被盜的手機用戶也有好處。手機開機時要求用戶通過一個快速的認證過程，用戶將其手指劃過傳感器，如果通過認證則授權使用手機的各項功能。如果不是授權用戶，手機便繼續(xù)保持鎖住。如果連續(xù)幾次認證無法通過，則手機會刪除存儲器中的關鍵信息然后關機。2023年12月31日3.4電容式接近開關電路的設計與制作一、結構原理與類型

1、工作原理如圖所示：+++

A

δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。2023年12月31日2、變間隙式電容傳感器

其靜態(tài)電容量為當活動極板移動x后，其電容量為2023年12月31日二、電容式接近開關1、原理框圖

2023年12月31日振蕩電路感應電極被測物體2、電容式接近開關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.由此便可控制開關的接通和關斷;接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。2023年12月31日3、實物圖2023年12月31日4、電路原理

2023年12月31日5、注意事項1）C4093為CMOS集成電路，很容易被電烙鐵所帶的靜電擊穿，所以在制作時，最好先焊一個集成電路插座，待電路經檢查無誤后再把CD4093插入插座。2）電容C4是靈敏度調節(jié)電容，若需要該電路以最大靈敏度工作時，可以先調節(jié)C4使繼電器剛好吸合，再調節(jié)C4使繼電器剛好斷開，然后用高頻蠟或絕緣漆把C4封牢即可。2023年12月31日三、其它應用實例1、電容式傳聲器2023年12月31日2023年12月31日2、電容式轉速傳感器

當齒輪轉動時，電容量發(fā)生周期性變化，通過測量電路轉換為脈沖信號，則頻率計顯示的頻率代表轉速大小。設齒數為z,頻率為f,則轉速為:

(4.2023年12月31日3、電容式測厚儀:測量金屬帶材在軋制過程中厚度，C1、C2工作極板與帶材之間形成兩個電容，其總電容為C=C1+C2。當金屬帶材在軋制中厚度發(fā)生變化時，將引起電容量的變化。通過檢測電路可以反映這個變化，并轉換和顯示出帶材的厚度。2023年12月31日4、1151系列電容式變送器1151系列電容式變送器是引進美國羅斯蒙特公司技術制造的產品,具有設計原理新穎、品種規(guī)格齊全、安裝使用簡便、本質安全防爆等特點。其外形結構如圖所示。2023年12月31日

1）工作原理被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在δ元件(即敏感元件)的兩側隔離膜片上，通過隔離膜片和δ元件內的填充液傳到預張緊的測量膜片兩側。當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電容就不等，通過檢測，放大轉換成4-20mA的2023年12月31日

2）主要特點I.

精度高、穩(wěn)定性好、價格比同類進口便宜；II.

采用二線制的工作方式；III.

敏感元件小型堅固，抗振能力強；IV.

量程和零位可從外部連續(xù)調節(jié)；V.

主要部件可與1151同類產品進行互換；VI.

可靠性好，質量