《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課件第4章 電容式傳感器

第4章電容式傳感器本章內(nèi)容

4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

4.2電容式傳感器的測量電路

4.3電容式傳感器的應(yīng)用

學(xué)習(xí)目標

了解變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型電容傳感器的工作原理、分類和測量電路。掌握電容傳感器的基本使用方法和典型應(yīng)用。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

4.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

式中：

——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，

=

0

r，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)；

A——兩平行板正對面積；

d——兩平行板之間的距離。如果保持其中兩個參數(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(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可以轉(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3種。

圖4-1電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式4.1.1變極距型電容傳感器當(dāng)傳感器的

r和A為常數(shù)，初始極距為d0時，其初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有

傳感器的輸出特性不是線性關(guān)系，而是曲線關(guān)系。若Δd/d0<<1時，1?（Δd/d0）2≈1，則上式可以簡化為

此時C與Δd近似呈線性關(guān)系，在d0較小時，對于同樣的Δd變化所起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0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)。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。在微位移測量中應(yīng)用最廣。

圖4-2變極距型電容式傳感器 圖4-3電容量與極板間距的關(guān)系

4.1.2變面積型電容式傳感器

1、線性位移電容傳感器當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移Δx時，則電容變化量為

電容相對變化量為： 很明顯，這種傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線牲關(guān)系。

圖4-5變面積型電容器原理圖

圖4-6電容式角位移傳感器原理圖

2、電容式角位移傳感器當(dāng)動極板有一個角位移

時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)動極板轉(zhuǎn)動

時，則

4.1.3變介質(zhì)型電容式傳感器1、原理設(shè)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

變換器的電容增量正比于被測液位高度h。

2、應(yīng)用用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。

圖4-7電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 圖4-8變介質(zhì)型電容式傳感器4.2電容式傳感器的測量電路

4.2.1調(diào)頻電路

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(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時。振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。調(diào)頻式測量電路原理框圖如下圖所示。圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為

式中：L——振蕩回路的電感；C——振蕩回路的總電容，C=C1+C

2+C

x，其中C1為振蕩回路固有電容，C

2為傳感器引線分布電容，C

x=C

0±ΔC為傳感器的電容。

圖4-9調(diào)頻式測量電路原理圖

當(dāng)被測信號不為0時，ΔC≠0，振蕩器頻率有相應(yīng)變化，此時頻率為調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01

m級位移變化量。

4.2.2運算放大器式電路

由于運算放大器的放大倍數(shù)非常大，而且輸入阻抗Zi很高，運算放大器的這一特點可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。由運算放大器工作原理可得

如果傳感器是一只平板電容，可得

式中：“?”號表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。運算放大器的輸出電壓與極板間距離d成線性關(guān)系。

圖4-10運算放大器式電路原理圖

4.2.3二極管雙T形交流電橋1、當(dāng)傳感器沒有輸入時，C1=C2。其電路工作原理如下：①當(dāng)e為正半周時，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，電源U經(jīng)電阻R1以電流I1向負載RL供電，與此同時電容C2經(jīng)R2和負載RL放電電流為I2，流經(jīng)負載的電流為I1和I2之和，它們的極性如圖4-11（b）所示；

②在隨后負半周出現(xiàn)時，二極管VD2導(dǎo)通、VD1截止，于是電容C2充電，電源U經(jīng)電阻R2以電流I2＇向負載RL供電，與此同時電容C1經(jīng)R1和負載RL放電電流為I1＇，流經(jīng)負載的電流為I1＇和I2＇之和，它們的極性如圖4-11（c）所示。根據(jù)上面所給的條件，C1=C2時，電源正半周和負半周流過負載的電流的平均值大小相等，且方向相反，在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。

2、若傳感器輸入不為0，則C1≠C2，I1≠I2，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

若 則輸出電壓可改寫為

U0=UfM(C1?C2)輸出電壓U0不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中電容C1和C2的差值有關(guān)。故可用來測量高速的機械運動。

圖4-11二極管雙T形交流電橋（a）電路原理圖；（b）高頻電源正半周等效電路圖；（c）高頻電源負半周等效電路圖

4.2.4環(huán)形二極管充放電法

基本原理是以一高頻方波為信號源，通過一環(huán)形二極管電橋，對被測電容進行充放電，環(huán)形二極管電橋輸出一個與被測電容成正比的微安級電流。

當(dāng)輸入的方波由E1躍變到E2時，電容Cx、Cd兩端的電壓皆由E1充電到E2。對電容Cx充電的電流，如圖3-12中i1所示的方向，對Cd充電的電流如i3所示方向。在充電過程中（T1這段時間），VD2、VD4以一直處于截止狀態(tài)。在T1這段時間內(nèi)由A點向C點流動的電荷量為q1=Cd(E2?E1)。

當(dāng)輸入的方波由E2返回到E1時，Cx和Cd放電，它們兩端的電壓由E2下降到E1，放電電流所經(jīng)過的路徑分別為i2、i4所示的方向。在放電過程中（T2時間內(nèi)），VD1、VD3截止。在T2這段時間內(nèi)由C點向A點流過的電荷量為q2=Cx(E2?E1)。

設(shè)方波的頻率f=1/T0（即每秒鐘要發(fā)生的充放電過程的次數(shù)），則由C點流向A點的平均電流為I2=Cxf(E2?E1)，而從A點流向C點的平均電流為I3=Cdf(E2?E1)，流過此支路的瞬時電流的平均值為

令Cx的初始值為C0，ΔCx為Cx的增量，則Cx=C0+ΔCx，調(diào)節(jié)Cd=C0，則

I正比于ΔCx。圖4-12環(huán)行二極管電容測量電路原理圖

4.2.5脈沖寬度調(diào)制電路圖中Cx1、Cx2為差動式電容傳感器，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài)，Q=1，=0，A點高電位通過R1對Cx1充電，時間常數(shù)

1=R1Cx1，直至F點電位高于Ur，比較器A1輸出正跳變信號。

與此同時，因=0，電容器Cx2上已充電流通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號激勵觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，使Q=0，=1，于是A點為低電位，Cx1通過VD1迅速放電，而B點高電位通過R2對Cx2充電，時間常數(shù)為

2=R2Cx2，直至G點電位高于參比電位Ur。比較器A2輸出正跳變信號，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

①當(dāng)差動電容器Cx1=Cx2時，

A、B兩點間的平均電壓值為零。②當(dāng)差動電容Cx1≠Cx2，且Cx1＞Cx2，則

1=R1Cx1＞

2=R2Cx2。此時UA、UB脈沖寬度不再相等，一個周期（T1+T2）時間內(nèi)的平均電壓值不為零。此UAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，可獲得Uo輸出為

圖4-13脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形

將

代入上式得若是平行板電容有：

在變面積電容傳感器則有：由此可見，差動脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器。

4.3電容式傳感器的應(yīng)用4.3.1電容式油量表（1）當(dāng)油箱中無油時，電容傳感器的電容量Cx=Cx0，調(diào)節(jié)匹配電容使C0=Cx0，R4=R3；并使調(diào)零電位器RP的滑動臂位于0點，即RP的電阻值為0。此時，電橋滿足Cx/C0=R4

/R3的平衡條件，電橋輸出為零，伺服電動機不轉(zhuǎn)動，油量表指針偏轉(zhuǎn)角θ=0。

（2）當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升至h處，Cx=Cx0+

Cx，而

Cx與h成正比，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，再由減速箱減速后帶動指針順時針偏轉(zhuǎn)，同時帶動RP的滑動臂移動，從而使RP阻值增大，Rc

d

=R3+RP也隨之增大。當(dāng)RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，U0=0，于是伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角為θ處。

（3）由于指針及可變電阻的滑動臂同時為伺服電動機所帶動，因此，RP的阻值與θ間存在著確定的對應(yīng)關(guān)系，即θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又正比于液位高度h，因此可直接從刻度盤上讀得液位高度h。（4）當(dāng)油箱中的油位降低時，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減小），同時帶動RP的滑動臂移動，使RP阻值減小。當(dāng)RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動機再次停轉(zhuǎn)，指針停留在與該液位相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ處。

圖4-15電容式油量表1—油箱；2—圓柱形電容器；3—伺服電動機；4—減速箱；5—油量表4.3.2電容式液位計當(dāng)兩極板間的絕緣液體液位越高時，極板之間的電容量也就越大。當(dāng)被測介質(zhì)是導(dǎo)電的液體（例如水溶液）且液罐是導(dǎo)電金屬時，可以將液罐接地，并作為液位計的外電，這時內(nèi)、外電極的極距只是聚四氟乙烯套管的壁厚。

（a）（b）圖4-16電容液位計（a）原理圖；（b）外形圖

4.3.3差動式電容測厚傳感器

電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測。在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為C1+C2，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。

圖4-17差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖4.3.4電容接近開關(guān)

當(dāng)沒有物體靠近檢測極板時，上、下檢測極板之間的電容量C非常小，它與電感L（在測量轉(zhuǎn)換電路板5中）構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)的LC振蕩電路。當(dāng)被檢測物體為導(dǎo)電體時，上、下檢測極板經(jīng)過與導(dǎo)電體之間的耦合作用，形成變極距電容C1、C2。電容量比未靠近導(dǎo)電體時增大了許多，引起LC回路的Q值下降，輸出電壓Uo隨之下降，Q值下降到一定程度時振蕩器停振。（a）圖4-18圓柱形電容接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)及原理框圖（a）電容接近開關(guān)結(jié)構(gòu)；（b）原理框圖1—被測物；2—上檢測極板；3—下檢測極板；4—充填樹脂；5—測量轉(zhuǎn)換電路板；6—塑料外殼；7—靈敏度調(diào)節(jié)電位器；8—工作指示燈；9—三線電纜

本章小結(jié)電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨率高，可非接觸式測量，并能在高溫、輻射和強烈振動等惡劣條件下工作。廣泛應(yīng)用于壓力、差壓、液位、振動、位移、加速度、成分含量等多方面測量。隨著電容測量技術(shù)的迅速發(fā)展，電容式傳感器在非電量測量和自動檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。

思考題與習(xí)題4-1根據(jù)工作原理可將電容式傳感器分為哪幾種類型？每種類型有什么特點？適用于什么場合？4-2試分析變面積式電容傳感器的靈敏度?怎么提高傳