第四章電容式傳感器

1、第四章電容式傳感器4.1 工作原理與類(lèi)型4.2 轉(zhuǎn)換電路4.3 性能、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.4電容傳感器應(yīng)用第一節(jié) 工作原理和類(lèi)型 定義：定義：將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。 應(yīng)用應(yīng)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕度。 由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)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 一、工作原理一、工作原理0rSSC 式中: 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù), =0r, 其中0為真空介電常數(shù), r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù); S 兩平行板所覆蓋的面積; 兩平行板之間的距離。 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的S, 或 發(fā)生變化時(shí), 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變, 而僅

2、改變其中一個(gè)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(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。因此, 電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類(lèi)型。 二、二、 變極距（間距）型電容傳感器變極距（間距）型電容傳感器 當(dāng)傳感器的和S為常數(shù), 初始極距為 時(shí), 可知其初始電容量C0為0SC若電容器極板間距 因被測(cè)量變化而減小 時(shí)，則有 0SSSCC 原理非線性，實(shí)際中采用差動(dòng)式來(lái)改善其非線性。 一般變極距式電容傳感器的起始電容在 20100pF之間, 極板間距離在25200m的范圍內(nèi), 最大位移應(yīng)小于間距的1/10, 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。2. 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器圓

3、柱形電容器的電容量212ln(/ )lCrr當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng) 時(shí)，電容變化量為l212122()ln(/ )ln(/ )lllCrrrr212ln(/ )lrr0lCl具有良好線性3. 變介電常數(shù)型電容式傳感器變介電常數(shù)型電容式傳感器根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測(cè)液面高度同心圓柱狀極板，插入液體深度h，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器（并聯(lián)）122()lnlnhHhDDdd21CCCdDhdDHln)(2ln21dDhCln)(210此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的插入深度測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的插入深度（1）無(wú)介質(zhì)插入010 000rL bc （2）有介質(zhì)插入 兩段電容并聯(lián)102120

4、 00()rrLLLcccb0000) 1(2LLcccccr可見(jiàn), 電容的變化與電介質(zhì)r2的移動(dòng)量L呈線性關(guān)系。 電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小, 這樣微小的電容量還不能直接為目前的顯示儀表所顯示, 也很難為記錄儀所接受, 不便于傳輸。這就必須借助于測(cè)量電路檢出這一微小電容增量, 并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。第二節(jié) 轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓或頻率等信號(hào)電容式傳感器等效電路L 為電纜線電感和電容器本身電感；r 為導(dǎo)線電阻、極板電阻、金屬支架電阻；C0 為傳感器

5、本身電容；Cp 為引線電纜電容、極板與外界形成的寄生電容；Rg 為極間等效漏電阻（漏電損耗、介質(zhì)損耗、極板與外界 的漏電損耗）一、調(diào)頻測(cè)量電路一、調(diào)頻測(cè)量電路 調(diào)頻測(cè)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(shí), 振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。 雖然可將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量, 用以判斷被測(cè)非電量的大小, 但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的, 不易校正, 因此加入鑒頻器, 將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化, 經(jīng)過(guò)放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來(lái)。調(diào)頻測(cè)量電路原理框圖如圖所示。調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為21)(21LCf式中: L振蕩回路的電感; C振蕩回路的總電容，C=C1+C2

6、+C0C。 其中, C1為振蕩回路固有電容; C2為傳感器引線分布電容; C0C為傳感器的電容。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí), C =0, 則C =C1+C2+C0, 所以振蕩器有一個(gè)固有頻率f0, f0 = 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為 0 時(shí), C0, 振蕩器頻率有相應(yīng)變化, 此時(shí)頻率為 21021)(21LCCCffLCCCCf021021)(21 調(diào)頻電容傳感器測(cè)量電路具有較高靈敏度, 可以測(cè)至0.01m級(jí)位移變化量。頻率輸出易于用數(shù)字儀器測(cè)量和與計(jì)算機(jī)通訊, 抗干擾能力強(qiáng), 可以發(fā)送、接收以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。二、電橋電路二、電橋電路 將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂(另一臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩

7、個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)二次線圈。其中另兩個(gè)臂是緊耦合，電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性。2012211210200021()1()iiiiUZUUZZZZUZZZjCCZjCCCUUC電橋電路電橋電路三、三、 運(yùn)算放大器式電路運(yùn)算放大器式電路 將電容傳感器接于放大器反饋回路，輸入電路接固定電容。構(gòu)成反相放大器。能克服變極距能克服變極距型電容式傳感器的非線性。型電容式傳感器的非線性。011xxj cCuuuCj c xSC則代入上式得0CuuS 式中“”號(hào)表示輸出電壓與電源電壓相反。如果傳感器是一只平板電容 運(yùn)算放大器電路解決了單個(gè)變極板間距離式電容傳感器的非線性問(wèn)

8、題。為保證儀器精度, 還要求電源電壓 的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。第三節(jié) 主要性能、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)一、主要性能一、主要性能（一）靜態(tài)靈敏度變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器0SSSCC 由得01()1/gCCk 由于/1 將上式展成泰勒級(jí)數(shù)得23401.gCk圓柱型變面積電容傳感器圓柱型變面積電容傳感器212122()ln(/ )ln(/ )lllCrrrr0lCl由得0212ln( / )gCCkllr r差動(dòng)變面積電容傳感器差動(dòng)變面積電容傳感器結(jié)論：差動(dòng)式比單組式的靈敏度提高一倍結(jié)論：差動(dòng)式比單組式的靈敏度提高一倍21212()2()ln(/ )ln(/ )gllllrrrrCkll214

9、ln(/ )rr（二）非線性（二）非線性變極距型變極距型0011/CCC 因/1 2301.CC采用差動(dòng)形式采用差動(dòng)形式得：24021.CC結(jié)論：變面積和變介質(zhì)型電容傳感器比結(jié)論：變面積和變介質(zhì)型電容傳感器比變極距型電容傳感器的線性度好變極距型電容傳感器的線性度好主要特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)一、特點(diǎn)一、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、溫度穩(wěn)定性好、溫度穩(wěn)定性好電容值與電極材料無(wú)關(guān)，自身發(fā)熱極小。電容值與電極材料無(wú)關(guān)，自身發(fā)熱極小。2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)能在較惡劣的環(huán)境下可靠工作。能在較惡劣的環(huán)境下可靠工作。3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板質(zhì)量小且靜態(tài)引力極小，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。極板質(zhì)

10、量小且靜態(tài)引力極小，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。4、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量在測(cè)量物料料位、物體振動(dòng)振幅等時(shí)，電容器極在測(cè)量物料料位、物體振動(dòng)振幅等時(shí)，電容器極板與被測(cè)體表面構(gòu)成電容器，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。板與被測(cè)體表面構(gòu)成電容器，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1、輸出阻抗高，帶負(fù)載能力差、輸出阻抗高，帶負(fù)載能力差電容器電容值小，在頻率較低時(shí)，容抗較大，帶電容器電容值小，在頻率較低時(shí)，容抗較大，帶負(fù)載能力較差。負(fù)載能力較差。2、寄生電容影響較大、寄生電容影響較大在電容器與測(cè)量電路較遠(yuǎn)，需用電纜線連接時(shí)，在電容器與測(cè)量電路較遠(yuǎn)，需用電纜線連接時(shí)，導(dǎo)線與極板間的寄生電容較大。造成測(cè)量誤差。導(dǎo)線與極板間的寄生

11、電容較大。造成測(cè)量誤差。設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，減小環(huán)境溫度濕度的影響，提高靈敏度，減小非線性，減小寄生電容的影響。2.消除和減小邊緣效應(yīng) 減小極距 電極做得薄 等位環(huán)3.減小和消除寄生電容的影響增加傳感器原始電容值:采用減小極板或極筒間的間距，增大工作面積來(lái)增大原始電容量。使與其并聯(lián)的寄生電容的影響可忽略。 接地和屏蔽:將傳感器動(dòng)極板與屏蔽殼同地，動(dòng)極板與屏蔽殼間的電容為常量。集成化:將傳感器與測(cè)量電路做在一個(gè)殼體內(nèi)。采用運(yùn)算放大器法 整體屏蔽：將傳感器、電源、轉(zhuǎn)換電路、電纜用一個(gè)屏蔽殼屏蔽起來(lái)，橋路兩固定阻抗間為接地點(diǎn)，減小外部干擾，消除電纜寄生電容的影響。4.防止和減小外界干擾

12、5.盡量采用差動(dòng)式電容傳感器例題：有一只變極距電容傳感元件，兩極板重疊有效面積為 ，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對(duì)介電常數(shù)是1.0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。428 10 m 電容傳感器可以直接測(cè)量的非電量為，直線位移、角位移及介質(zhì)的幾何尺寸(或稱(chēng)物位)，直線位移及角位移可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的。 用來(lái)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振幅等量的傳感器，往往來(lái)用單極式變間隙電容傳感器，使用時(shí)常將被測(cè)物作為傳感器的一個(gè)極板，而另一個(gè)電極板在傳感器內(nèi)。第四節(jié)第四節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用一、電容式位移傳感器一、電容式位移傳感器是一種單電極的電容式振動(dòng)位移傳感器，它的平面

13、測(cè)端電極1是電容器的一極，通過(guò)電極座5由引線接入電路，另一極是被測(cè)物表面。圓筒式變面積的差動(dòng)電容式位移傳感器 二、電容式加速度傳感器二、電容式加速度傳感器1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 質(zhì)量塊兩個(gè)經(jīng)過(guò)磨平拋光的平面與兩個(gè)固定極板構(gòu)成差動(dòng)電容傳感器。11212k aCCkaCC2、原理、原理 當(dāng)傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象在垂直方向上作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí), 質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止, 而兩個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，此電容增量正比于被測(cè)加速度。 三、電容式差壓傳感器三、電容式差壓傳感器一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電容器壓力差使膜片變形產(chǎn)生位移時(shí)，兩個(gè)電容器電容量發(fā)生變化。1002001SCCCSCCCkP2111200CCkPk PCC 將差動(dòng)電容器接于橋式電路PkUCCCCUZZZZUUiii222211221210 四、四、 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)傳感器上下兩個(gè)極板與金屬板上下表面間構(gòu)成電容傳感器。 2、原理、原理 將被測(cè)電容C1、C2作為各變換振蕩器的回路電容, 振蕩器的其