電容式傳感器

1、第三章 電容式傳感器 電容測量技術近幾年來有了很大進展，它不但廣泛用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且，還逐步擴大應用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。由于電容式傳感器具有一系列突出的優(yōu)點：如結構簡單，體積小，分辨率高，可非接觸測量等。這些優(yōu)點，隨著電子技術的迅速發(fā)展，特別是集成電路的出現(xiàn)，將得到進一步的體現(xiàn)。而它存在的分布電容、非線性等缺點又將不斷地得到克服，因此電容式傳感器在非電測量和自動檢測中得到了廣泛的應用。第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理和結構一、基本工作原理 電容式傳感器是一種具有可變參數(shù)的電容器。多數(shù)場合下，電容是由兩個金屬平行板組成并且以空氣為介質(zhì)，

2、如圖31所示。由兩個平行板組成的電容器的電容量為（31）式中電容極板介質(zhì)的介電常數(shù)。兩平行板所覆蓋面積；兩平行板之間的距離；電容量當被測參數(shù)使得式(31)中的、和發(fā)生變化時，電容量也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此。電容量變化的大小與被測參數(shù)的大小成比例。在實際使用中，電容式傳感器常以改變平行板間距來進行測量，因為這樣獲得的測量靈敏度高于改變其他參數(shù)的電容傳感器的靈敏度。改變平行板間距的傳感器可以測量微米數(shù)量級的位移，而改變面積的傳感器只適用于測量厘米數(shù)量級的位移。二、變極距型電容式傳感器 由式(31)可知，電容量c與極板距離d不

3、是線性關系,而是如圖32所示的雙曲線關系。若電容器極板距離由初始值do縮小，極板距離分別為do和do-，其電容量分別為C0和C1，即 (32)(33)當AdJu時，1菩*1，則式(33)可以簡化為一W一一這時c1與AJ近似呈線性關系，所以改變極板距離的電容式傳感器注注是設計成Ad在極小的范圍內(nèi)變化。 另外，由圖32可以看出，當眾。較小時，對于同樣的AJ變化所引起的電容變化量Ac可以增大，從而使傳感器的靈敏度提高；但JI過小時，容易引起電容器擊穿。改善擊穿條件的辦法是在極板間放置云母片，如圖33所示。此時電容c變?yōu)?ci?云母的相對介電系數(shù)，午空氣的介電系數(shù)，s。15云母片的厚度；空氣朗厚度。云

4、母的相對介電系數(shù)為空氣的7倍，其擊穿電壓不小于103kvmm、而空氣的擊穿電壓僅為3kvmm。即使厚度為o01mm e6云母片它的擊穿電壓也不小于10kvmm。因此有廠云母片，極板之間的起始距離可以大大減小。同時式(35)分母中的：項是恒定值它能使電容式傳感器的輸出特性的線性度得到改善，只要云母片厚度選取得當，就能獲得較燈的線性關系。 一放電容式傳感器的起始電容在20一30pF之間，極板距離在25200Pm的范圍內(nèi)。最大位移應該小于間距的110。 在實際應用中v為廠提高傳感器的靈敏度和克服某些外界因素(例如電源電壓、環(huán)境溫度等)對測量的影響，常常把傳感器做成差動的形式，其原理如圖34所示。當動

5、極板移動后cL和”z成差動變化，即其中一個電容量增大，而另一個電容量則相應減小，這樣可以消除外界因素所造成的測量誤差。 三、變極板面積型電容式傳感器 國3；是一只電容式角位移傳感器的原理圖遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。當動極板有一個角位移6時當9o時，則式中 el介電常數(shù)。當6760時，則圖36為圓柱形電容式位移傳感器。在初始的位置(即“o)時此時電容量為 co材式中J、從和Dl的單位為cm，c。的單位為pF。 當動極板發(fā)生位移“后，其電容量為 cc。一C于 (3t3)即(i d基本上成線性關系。采用圓柱形電容器的原因主要是考慮到動極板稍作徑向移動時、不影響電容器的輸出特性。 四

6、、變介質(zhì)型電容式傳惑器 圖37為一種改變工作介質(zhì)的電容式傳感器。dp“J? J1 i十一 62 e1c56(Zd)扁C6d下上下十6(JM)了音 生45l glt；式中6一極板寬度。 設在電極小無i介質(zhì)時的電容量為co c9十認于JJ 太十左式(313)表明電容量c與位移d成線性關系。 五、電容式位移傳團器的結構形式電容式位移傳感器的基本結構形式，按照將機械位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葑兓幕驹恚ǔ０阉鼈兎譃槊娣e變化型、極距變化型和介質(zhì)變化型三類。這三種類型又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種。每一種又依據(jù)傳感器的形狀分成千板型和圓筒型兩種。電容式傳感器也還有其他的形狀，但一般很少見。注意，圓筒式傳

7、感器不能用作改變極距的位移傳感器。 般來說，差動式要比單組式的傳感器好。差動式傳感器不但靈敏度高而且線性范圍大，并具有較高的穩(wěn)定性。 絕大多數(shù)電容式傳感器可制成一極多板的形式。幾層重疊板組成的多片型電容傳感器具省類似的單片電容器的(d一1)倍電容量。多片型相當于一個大面積的單片電容傳感器，但是它能縮小尺寸。 六、電容式傳感器的輸出特性 式(34)、(37)、(39)、(313)給出了單組式傳感器的基本設計公式*差動式電容可以根據(jù)兩個獨立的、在一定位移范圍內(nèi)的單組電容cI和c2來計算。對于經(jīng)常采用的、改變極距型的傳感器，其輸出特性可如下求得： 差動電容傳感器的結構如圖34所示其輸出特性曲線如圖3

8、8所示。在零點位置k設置一個可動的接地小心電極，它離兩塊置一個可動的接地小心電極，它離兩塊極板的距離均為d。當中心電極在機械位移的作用廠發(fā)生位移AJ時，則傳感器電容量分別為l刁JL 1 4罷1上兩式可按級數(shù)展開，得cicDLll罷l(安1t(案)lc2e1甕l(罷)”(甕J“fc242等t 2儈)t 箕z等r1略去高次項測甕與笑近似成線性關系： 芒、2等此式可表示為圖38的曲線。 差動電容式傳感器的相對非線性誤差r近似為然而，非差動式電容傳感器的非線性誤差可由如下分析知道，以式(33) cco上面笑笑(1琶罷、t笑t電容傳感器的非線性誤差為AC顯然，差動式傳感器的非線性誤差r比單一電容傳感器的

9、非線性誤差rI大大地降低。 當與適當?shù)臏y量電路配合后，它的輸出待性在關土33的范圍內(nèi)，偏離直線的誤差不超過1 電容式傳感器的靈敏度定義為電容變化與所引起該變化的可動部件的機械位移變化之比。乎板型改變面積的線位移傳感器的靈敏度為 AC 6 萬Z式中6為極扳寬度(cm)，和d的意義及單位同式(31)。 平板型改變極距的線位移傳感器的靈敏度為 A c4 面萬 顯然改變極距的傳感器能夠用減少極距4來增加靈敏度平度和極距非常小時的擊穿電壓所限制，因此極距眾不能無窮平板型差動電容傳感器的靈敏度為 蓋電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路可以用圖39所示電路表示。圖中考慮了電容器的損耗和電感效應，RP

10、為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板問的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。R；代表串聯(lián)損耗，即引線電阻，電容器支架和極板的電阻。電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。 由等效電路可知，等效電路有一個諧振領率，通常為幾十兆赫，當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，應該選擇低于諧振頻率的工作頻率，否則電容傳感器不能正常工作。第四節(jié) 電容式傳感器應用舉例() 電容傳感器由于檢測頭結構簡單，可以不用有機材料和磁性材料構成所以它能經(jīng)受相當大的溫度變化及各種輻射作用，因而可以在溫度變化大、有各種輻射等惡劣環(huán)境下工作。電容傳感器

11、可以制成非接觸式測量器，響應時間短，適合于在線和動態(tài)測量。電容傳感器具有高靈敏度采用現(xiàn)代相密測量方法，已能測量電容值的10“的變化量。又因為其極間的相互吸力十分微小，從而保證了比較高的2lI量招度。因此，電容傳感器近年來甚被重視，它廣泛地被應用在厚度、位移、壓力、速度、濃度、物位等物理量測量中。下面舉幾例來說明電容傳感器的應用情況。 一、電容傳感器在板材軋制裝置中的應用電容式測厚僅 電容式測厚儀的關鍵部件之一就是電容測厚傳感器。在板材軋制過程中由它監(jiān)油金屬板材的厚度變化情況，該厚度量的變化現(xiàn)階段常采用獨立雙電容測厚傳感器來檢測。它能克服兩電容并聯(lián)或串聯(lián)式傳感器的缺點。應用獨立雙電容傳感器，通過

12、對被測板材在同一位置、同一時刻實時取樣能使其測量精度大大提高。獨立雙電容測厚傳感器一殷分為運算型電容傳感器和頻率變換型電容傳感器兩種。前者對o51omm厚度的薄鋼板進行測量其測量誤差小于20Pm；后者其測量誤差小于o3Pm o當被軋制板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則c變化。若c。增大，表示板材厚度變厚；反之，板材變薄。此時電橋輸出信號也將發(fā)生變化，變化量經(jīng)福合電容c輸出給運算放大器放大整流和濾波；再經(jīng)差動放大器放大后，一方面由顯示儀表讀出該時的板材厚度，另一方面通過反饋回路將偏差信號傳送給壓力調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)軋輥與板材間的距離，經(jīng)過不斷調(diào)節(jié)，使板材厚度控制在一定誤差范圍內(nèi)。 2頻率變換型電客

13、測厚傳怠器將被測電容c1，c：作為各變換振蕩器的回路電容，振蕩器的其他參數(shù)為固定值電路如圖3I 9(6)所示。圖中co為輻合和寄生電容，振蕩頗率為 ；蘭； 2n人(C，十CD)因為設兩傳感器極板距離固定為Jo，若在同一時刻分別測很上、下極板與金屆板材上、下表面距離為士、，久。則被測金屆板材的厚度6眾。一(J，十J1。)。由此可見，振蕩頻率包含7電容傳感器納間距J的信息。各頻率值通過自取樣計數(shù)器(可采用16位快速同步計數(shù)器取樣)獲得數(shù)字量，然后由微機進行函數(shù)處理，消除非線性頻率變換產(chǎn)生的誤差無需AD轉(zhuǎn)換，也無需用先進的非線性變換，就可獲得誤差極小的板材厚度。因此、頻率變換型電容測厚系統(tǒng)得到廣泛使

14、用。 二、屯容傳感器在真空注油視疆油自動控制中的應用 真空注油機是x射線源生產(chǎn)中的關鍵設備，其中的溢油量控制與x射線源的熱設計密切相關送油量過大，在x射線源連續(xù)工作時，可能因膨脹不足而引起絕緣油滲漏；溢油量過小，環(huán)境溫度較低時，膨脹鼓可能因收縮雖不足而使源內(nèi)產(chǎn)生負壓使氣體滲入。原來的注油系統(tǒng)，溢油量控制均采用人工觀察，手動控制這顯然不符合現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。1994年，重新設計了真空注油機溢油系統(tǒng)，采用了oMRON公司生產(chǎn)的一種新型液位控制傳感器一一只2Kc型靜電電容式傳感器，實現(xiàn)了溢油量的自動控制。 E2Kc型靜電電容式傳感器按其供電電壓可分為直流型和交流型按其輸出方式又可分成NPN開關輸出型和

15、PNP開關輸出型兩種。現(xiàn)以直流NPN開關輸出型置2Kc25MEl為例，介紹其工作原理及應用。 E2xc25MEl的內(nèi)部電原理框圖及輸出信號示意見圖320* 該傳感器由高頻振蕩器和放大器組成。當無物體接近傳感器作用表面時，帶浮動電極的高頻振蕩器不振蕩；當有物體接近傳感器作用表面時，使浮動電極產(chǎn)生的電場發(fā)生變化高頻振蕩器產(chǎn)生振蕩。振蕩器的振蕩和停振這兩個信號，由整形放大器轉(zhuǎn)換成開關信號，從而起到“開”、”關”的控制作用。 不動作時，圖中白黑引線間輸出高電乎yA載無電流流通負載(繼電器或接觸器等)將不動作。 真空注油攫油自動控制系統(tǒng)如圖321所示。其溢油自動控制工作過程如下t 首先，調(diào)節(jié)傳感器的初始

16、工作狀態(tài)。調(diào)整過程為：在玻璃瓶空時，調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度使它處于從“OFF”到“ON”的臨界點、記下電位器的位置；然后在瓶中油面接近傳感器中心線狀態(tài)下、使它處于從“ON”到“OFF”的臨界點上，記下電位器的位置；接著將電位器調(diào)節(jié)到兩位置的中間位置上，此時傳感器加電便處于工作狀態(tài)。 注油時，首光計算好待注油x射線源的所需油量并換算成高度A5然后將傳感器中心調(diào)節(jié)到高度略大于A處，并固定好、當注面到溢面到達A高度時，傳感器將動作，輸出高電平、使繼電器斷開；進而控制放油電磁悶動作，使之關斷，停止注泊。此時，傳感器同時驅(qū)動峰鳴器和紅色指示燈片，給出盧光指示，提醒工作人員作進一步處理。傳感器本身能提供最大為

17、200mA的驅(qū)動電流這對一般負載(執(zhí)行器)已足夠L倘若不夠再加一級電流驅(qū)動器，即可適應使用。 在系統(tǒng)設計時，該傳感器用于送位控制的難點在于；環(huán)境溫度高；不能污染真空系統(tǒng)只能間接測量；周圍均是金屬物體，絕緣油的極性很??；負載于擾較大，為此在結構和電路上均須精心設計。圖中的支撐桿只能采用非金屬或銘材，以減少對傳感器靈敏度的影響，巴油瓶采用壁厚15mm的玻璃瓶v傳感器表面應緊貼因油瓶表面。 該類傳感器可以很方便地實現(xiàn)釣料控制、液位高度控制、接近物體檢測等因此，應用廣三、電容式壓力傳感器 圖322示出了兩種電容式壓力傳感器。圖(d)為單只變極距型電容傳感器，用于測量流體或氣體的壓力。流體或氣體壓力作用

18、于彈性膜片(動極片)，佼彈性膜片產(chǎn)生位移，位移導致電容量的變化，從而引起由該電容組成的振蕩器的振蕩頻率變化頻率信號經(jīng)計數(shù)、編碼、傳輸?shù)斤@示部分即可指示壓力變化量。 圖(6)為一種小型差動式電容壓力傳感器。它由金屬彈性膜片與鍍金凹型玻璃圖片組成。當被測壓力J，通過過濾器進入空腔時，由于彈性膜片兩側的壓力差，使彈性膜片凸向一例，產(chǎn)生位移，該位移改變兩個鍍金玻璃圖片與彈性膜片間的電容量。這種傳感器的靈敏度和分辨串都很高。其靈敏度取決于初始間隙d。，Jo越小，靈敏度越高。根據(jù)實驗該傳感器可以測量oo75Pa的微小壓差。其動態(tài)響應顯然主要取決于彈性膜片的固有頻率。該傳感器配以脈沖寬度調(diào)制電路(圖315)

19、可以構成壓力測量系統(tǒng)。四、高分子電容式濕度變送器 該儀器是利用高分子電容式濕敏傳感器測量濕度的。高分子薄膜式濕敏元件應用的是平板電容器原理在絕緣基片上依次形成上電極、感濕腹、下電權。感濕膜是聚酰亞膚高分子聚合物，它吸收環(huán)境中的水分，使其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量變化達到測濕目的。其等效電路如圖323(d)所示。兩個平扳電容器串聯(lián)后的電容值為組成的。當電容結構確定后，其電容值與高分子膜的介電常數(shù)成正比，高分子膜的介電常數(shù)隨著其吸水量增加而增大而吸水量多少又取決于氣體濕度的大小，這樣就可確定在一定溫度下電容值與氣體中相對濕度的函數(shù)關系。本濕度計的測量范圍為oRH一100RH，輸出電壓為i1一

20、土5v。它由固定額率方波脈沖發(fā)生器、脈寬調(diào)制電路、濾波、放大電路等組成。 固定頻率方波脈沖電路產(chǎn)生定周期脈沖，觸發(fā)后續(xù)脈沖寬度調(diào)制電路，使脈寬八正比于濕度電容c”然后將輸出信號進行濾波后，取出直流信號，再經(jīng)放大電路、調(diào)零電路和溫度補償電路，最后輸出一個與相對濕度相對應的標準電壓信號。 框圖中固定頻率方波脈沖電路采用cMOs型555定時器與定值電容組成多諧振蕩器，產(chǎn)生固定頻率的脈沖方波。脈寬調(diào)制電路是由另一塊555定時器與濕度電容C，組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、構成脈寬調(diào)制電路，使脈寬7；與濕敏電容Lh有如下關系；7x促c，(厭為常數(shù))。濾波為低通濾波電路，放大與調(diào)零由LM358運算放大器組成，并用AD590運算放大器作溫度補償這是因為它的線性好、精度高與金屬類測溫電阻相比、它的抗?jié)穸扔绊懙哪芰Ω鼜?、這樣確保廠溫度補償效果。 五、石英撓性伺服加