智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 課件 第2章電容式傳感器

機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS電容傳感器第2章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6電容傳感器02智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.1電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2.2電容式傳感器的應(yīng)用實(shí)例2.32.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)請(qǐng)輸入您的標(biāo)題電容傳感器02電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來(lái)說(shuō)明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容為：式中A——兩極板相互遮蓋的有效面積（m2）；d——兩極板間的距離，也稱為極距（m）；ε

——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；εr——兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù),ε0=8.85

10-12(F/m)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電容傳感器02由式可知，電容量C與A、d、ε三個(gè)參量有關(guān)。當(dāng)改變A、d、ε三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，都會(huì)引起電容C的變化。

若保持其中任意兩個(gè)參量不變，只改變另一個(gè)參量，那么該參量的變化就能轉(zhuǎn)換為電容量的變化，這就是電容傳感器的基本工作原理。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)電容傳感器02根據(jù)引起電容量變化的參量的不同，電容傳感器可以分為三種類型：改變遮蓋面積型電容傳感器變極距型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.1變遮蓋面積型電容式傳感器電容傳感器02

圖（a）是直線位移式結(jié)構(gòu)，極板A固定不動(dòng)，稱為定極板，極板B能夠左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板，與被測(cè)物相連。當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)極板B發(fā)生位移，從而改變與定極板A的相互遮蓋面積，使兩極板間的電容量發(fā)生變化。

圖（b）是角位移式結(jié)構(gòu)，當(dāng)動(dòng)極板圍著轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩極板的遮蓋面積會(huì)發(fā)生變化。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.2變極距型電容式傳感器電容傳感器02當(dāng)動(dòng)極板隨著被測(cè)物體發(fā)生位移時(shí)，兩極板之間的距離d就會(huì)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化。實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.2變極距型電容式傳感器電容傳感器02

一般變極距型電容傳感器的起始電容在20-30pF，極板間距在25-200um，最大位移通常小于極距的1/10。所以，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了減小非線性，提高靈敏度，多采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖所示。在差動(dòng)式變極距型電容傳感器中，上下兩個(gè)極板為定極板，中間極板為動(dòng)極板。當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)后，C1的極距變減小，電容量增加，而C2的極距增大，電容量減小，二者形成差動(dòng)變化，經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后，其靈敏度提高1倍，非線性誤差也會(huì)大大降低。此外，差動(dòng)式電容傳感器能減小由引力給測(cè)量帶來(lái)的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器電容傳感器02因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。

變介電常數(shù)型電容式傳感器可以用來(lái)測(cè)量位移、液位、物位等參數(shù)。

上下兩極板保持相互遮蓋面積和極距不變，相對(duì)介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)插入電容器中的深度發(fā)生變化時(shí)，兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積也會(huì)發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化。被測(cè)介質(zhì)εr2進(jìn)入極板間的深度與引起電容量的變化成線性關(guān)系。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器電容傳感器02表中給出了幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)真空1干的紙2-4空氣略大于1干的谷物3-5聚四氟乙烯2.0云母5-8聚丙烯2-2.2二氧化硅38聚苯乙烯2.4-2.6高頻陶瓷10-160硅油2-3.5純凈的水80聚偏二氟乙烯3-5壓電陶瓷、低頻陶瓷1000-10000鹽6纖維素3.9

2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.2.1調(diào)頻電路電容傳感器02調(diào)頻電路是將電容傳感器作為L(zhǎng)C振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器的頻率受電容傳感器電容的調(diào)制。當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，LC振蕩器的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)C/f轉(zhuǎn)換。圖為振蕩器調(diào)頻電路方框圖，振蕩器輸出頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)化電壓幅度的變化，經(jīng)過(guò)放大器放大、檢波之后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來(lái)。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.1調(diào)頻電路電容傳感器02

振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：式中

L——振蕩回路的固定電感

C——振蕩回路總電容C包括振蕩回路的固有電容、傳感器的引線分布電容以及傳感器的電容，即2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路電容傳感器02

2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路電容傳感器02

圖為電容傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出為高電平時(shí)，A點(diǎn)通過(guò)R1對(duì)C1充電，F(xiàn)點(diǎn)電位逐漸升高。Q在端為高電平期間，~Q端為低電平，電容C2通過(guò)低內(nèi)阻的二極管VD2迅速放電，G點(diǎn)電位被鉗制在低電平。當(dāng)F點(diǎn)電位升高超過(guò)參考電壓時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一個(gè)“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)跳變?yōu)榈碗娢唬珺點(diǎn)跳變?yōu)楦唠娢?。此時(shí)C1經(jīng)二極管VD1迅速放電，F(xiàn)點(diǎn)被鉗制在低電平，而同時(shí)B點(diǎn)高電位經(jīng)R2向C2充電。當(dāng)G點(diǎn)電位超過(guò)UR時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一個(gè)“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)恢復(fù)為高電位，B點(diǎn)恢復(fù)為低電位。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個(gè)寬度受電容C1、C2調(diào)制的脈沖波形，實(shí)現(xiàn)C/U轉(zhuǎn)換。對(duì)于差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路，不論是改變平板電容器的極距或是極板相互遮蓋面積，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.3運(yùn)算放大器電路電容傳感器02

運(yùn)算放大器具有放大倍數(shù)非常大、輸入阻抗很高的特點(diǎn)，因而可以作為電容傳感器比較理想的測(cè)量電路，其電路圖如圖所示，Cx為電容傳感器。在放大倍數(shù)和輸入阻抗趨近于無(wú)窮大時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓與動(dòng)極板的機(jī)械位移d（即極板距離）呈線性關(guān)系，運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題。由于實(shí)際使用的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)K和輸入阻抗總是一個(gè)有限值，所以該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性誤差，但在二者足夠大時(shí)，這種誤差非常小。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.4電橋電路電容傳感器02

電橋初始狀態(tài)調(diào)至平衡，當(dāng)傳感器電容C變化時(shí)，電橋失去平衡而輸出電壓，此交流電壓的幅值隨C而變化。電橋輸出電壓為2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

這種交流電橋測(cè)量電路要求提供幅度合頻率很穩(wěn)定的交流電源，并要求電橋放大器的輸入阻抗Zi很高。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.2.5雙T電橋電路電容傳感器02

雙T電橋電路具有以下特點(diǎn)：1.信號(hào)源、負(fù)載、傳感器電容和平衡電容有一個(gè)公共的接地點(diǎn)。2.二極管VD1和VD2工作在伏安特性的線性段。3.輸出電壓較高。4.電路的靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定。5.可以用作動(dòng)態(tài)測(cè)量。2.2電容傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.1電容料位計(jì)電容傳感器02

1、被測(cè)物料為導(dǎo)電體如圖所示，電容料位計(jì)以直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣套管。將其插在儲(chǔ)液罐中，此時(shí)導(dǎo)電介質(zhì)本身為外電極，內(nèi)、外電極極距為聚四氟乙烯塑料絕緣套管的厚度，當(dāng)料位發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)、外極板的相對(duì)面積發(fā)生變化，從而使電容量隨之變化。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例1——內(nèi)電極2——絕緣套管智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.1電容料位計(jì)電容傳感器02

2、被測(cè)物料為絕緣體如圖所示，電容料位計(jì)可采用裸電極作為內(nèi)電極，外套以開(kāi)有液體流通孔的金屬外電極，通過(guò)絕緣環(huán)裝配。當(dāng)被測(cè)液體的液面在兩個(gè)電極間上下變化時(shí)，電極間介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)（上面部分為空氣，下面部分為被測(cè)液體）的高度發(fā)生變化，從而使得電容器的電容量改變。被側(cè)液位的高度正比于電容器電容量的變化。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例1——內(nèi)電極2——絕緣套管3——絕緣環(huán)4——外電極智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.2電容測(cè)厚儀電容傳感器02

電容測(cè)厚儀工作原理如圖所示。在被測(cè)金屬帶材的上方和下方分別放置一塊面積相等、與帶材距離相等的定極板，則定極板與金屬帶材之間就形成了兩個(gè)電容器C1、C2，將兩個(gè)電容并聯(lián)，總電容為C=C1+C2。當(dāng)帶材的厚度發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)引起兩電容器的極距增大或減小，從而使電容C發(fā)生變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓繖z測(cè)出來(lái)，通過(guò)放大電路放大，可由顯示儀器顯示出帶材厚度的變化。使用上下兩個(gè)極板是為了克服帶材在傳輸過(guò)程中的上下波動(dòng)帶來(lái)的誤差。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.3差動(dòng)式電容壓力傳感器電容傳感器02

圖示為一種小型差動(dòng)式電容壓力傳感器。它由金屬?gòu)椥阅てc鍍金凹型玻璃圓片組成，被測(cè)壓力p1、p2分別通過(guò)上下兩個(gè)進(jìn)氣孔進(jìn)入空腔。當(dāng)兩側(cè)壓力p1=p2時(shí)，彈性膜片處在中間位置，與上下定極距離相等，因此兩個(gè)電容相等；當(dāng)p1>p2時(shí)，彈性膜片向上彎曲，兩個(gè)電容值一個(gè)增大、一個(gè)減小，且變化量相等；當(dāng)p1<p2時(shí)，壓差反向，差動(dòng)電容的變化量也反向。電容值的變化量經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路最終轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電壓或者電流的變化。電容式差壓傳感器的靈敏度和分辨率都很高，其靈敏度取決于初始間隙d0，d0越小，靈敏度越高。2.3電容傳感器的應(yīng)用實(shí)例智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.3.4電容式濕度傳感器電容傳感器02

電容式濕度傳感器有效利用了兩個(gè)電極間的電容量隨濕度變化的特性，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。濕敏材料作為電介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極，當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，濕敏材料吸收空氣中的水蒸氣，使兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)增加（水的相對(duì)介電常數(shù)為80），從而使電容量增大。2.3電容