自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)-第四章

1、自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)物理及電子工程學(xué)院 楊恒Tel:-mail: 第4章 電容式傳感器 4.1 電容式傳感器工作原理及分類電容式傳感器工作原理及分類 4.2 測量電路測量電路 4.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡電容量變化的一種傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、抗過載能力大、動(dòng)態(tài)特性單、分辨率高、抗過載能力大、動(dòng)態(tài)特性好；且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣好；且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。條件下工作。 電容式傳感器可用于測量壓力、位移、電容式傳感

2、器可用于測量壓力、位移、振動(dòng)、液位、厚度。振動(dòng)、液位、厚度。電容式傳感器電容式傳感器 工作原理 平行板電容器是由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的，其電容量與絕緣介質(zhì)的介電常數(shù) 、極板的有效面積S以及兩極板間的距離d有關(guān)，即SCd電容式傳感器電容式傳感器dSC可見：在可見：在S、d、三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容量使電容量C改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)( (如位移、壓力、如位移、壓力、液位等液位等) )的變化引起的變化引起S、d、三個(gè)參量中之一發(fā)生變化，就可三個(gè)參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)

3、測量。據(jù)此，電容式傳感利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為以下三大類：器可分為以下三大類：(1) (1) 極距變化型電容傳感器；極距變化型電容傳感器；(2) (2) 面積變化型電容傳感器；面積變化型電容傳感器；(3) (3) 介質(zhì)變化型電容傳感器。介質(zhì)變化型電容傳感器。4.1 4.1 電容式傳感器工作原理電容式傳感器工作原理 4.1.1 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，定不動(dòng)的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為動(dòng)極板。稱為動(dòng)極板。 1 1直線位移

4、式直線位移式 電容的相對變化量和靈敏度為電容的相對變化量和靈敏度為 為提高測量精度，也常用如圖為提高測量精度，也常用如圖4.3所示的結(jié)所示的結(jié)構(gòu)形式，以減少動(dòng)極板與定極板之間的相對極構(gòu)形式，以減少動(dòng)極板與定極板之間的相對極距可能變化而引起的測量誤差。距可能變化而引起的測量誤差。圖4.2 變面積型電容傳感器原理圖圖4.3 中間極板移動(dòng)變面積式電容傳感器原理圖0ax babxbCCCddd ()0CxCaCbKxd4.1 4.1 電容式傳感器工作原理電容式傳感器工作原理 2 2角位移式角位移式當(dāng)被測的變化量使動(dòng)極板有一角位移當(dāng)被測的變化量使動(dòng)極板有一角位移q 時(shí)，兩極板間互相覆蓋時(shí)，兩極板間互相覆

5、蓋的面積被改變，從而改變兩極板間的電容量的面積被改變，從而改變兩極板間的電容量C。 圖4.4 角位移式電容傳感器原理圖 圖4.5 差動(dòng)角位移式電容傳感器原理圖 1SSCdd() 在實(shí)際應(yīng)用中，也采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度。在實(shí)際應(yīng)用中，也采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度。角位移測量用的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)如圖角位移測量用的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)如圖4.54.5所示。所示。 基本結(jié)構(gòu)電容的相對變化量和靈敏度分別為基本結(jié)構(gòu)電容的相對變化量和靈敏度分別為 差動(dòng)式電容的相對變化量和靈敏度分別為差動(dòng)式電容的相對變化量和靈敏度分別為 與基本結(jié)構(gòu)間隙式傳感器相比，差動(dòng)式傳感與基本結(jié)構(gòu)間隙式傳感器相比，差動(dòng)式傳感器的非線性誤差減少了一個(gè)

6、數(shù)量級，而且提器的非線性誤差減少了一個(gè)數(shù)量級，而且提高了測量靈敏度，所以在實(shí)際應(yīng)用中被較多高了測量靈敏度，所以在實(shí)際應(yīng)用中被較多采用。采用。 圖4.6 基本的變間隙式電容傳感器圖4.7 差動(dòng)結(jié)構(gòu)的變間隙電容傳感器00CdCd0200CCSKddd002CdCd020022CCSKddd4.1.2 變間隙式電容傳感器變間隙式電容傳感器1 1平面式平面式 電容變化量電容變化量C與位移與位移 x呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。若被測介質(zhì)的介電常數(shù)若被測介質(zhì)的介電常數(shù) x已知，測出輸出已知，測出輸出電容電容C的值，可求出待測材料的厚度的值，可求出待測材料的厚度x。若厚度若厚度x已知，測出輸出電容已知，測出輸出

7、電容C的值，也的值，也可求出待測材料的介電常數(shù)可求出待測材料的介電常數(shù) x。因此，可。因此，可將此傳感器用作介電常數(shù)將此傳感器用作介電常數(shù) x測量儀。測量儀。圖4.8 平面式測位移傳感器 圖4.9 測厚儀 xadCCCr001xdSCCCCCxxx)(21214.1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器 2 2圓柱式圓柱式 電介質(zhì)電容器大多采用圓柱式。其基本結(jié)構(gòu)電介質(zhì)電容器大多采用圓柱式。其基本結(jié)構(gòu)如圖如圖4.10所示，內(nèi)外筒為兩個(gè)同心圓筒，分別作所示，內(nèi)外筒為兩個(gè)同心圓筒，分別作為電容的兩個(gè)極。為電容的兩個(gè)極。 如圖如圖4.11所示為一種電容式液面計(jì)的原理圖所示為一種電容式液面計(jì)

8、的原理圖。在介電常數(shù)為。在介電常數(shù)為 x的被測液體中，放入該圓柱式的被測液體中，放入該圓柱式電容器，液體上面氣體的介電常數(shù)為電容器，液體上面氣體的介電常數(shù)為 ，液體浸，液體浸沒電極的高度就是被測量沒電極的高度就是被測量x。液面計(jì)的輸出電容液面計(jì)的輸出電容C與液面高度與液面高度x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。 圖4.10 圓柱式電容器結(jié)構(gòu)圖圖4.11 電容式液面計(jì)2lnhCRrbxaCCC214.2 4.2 測量電路測量電路 4.2.1 調(diào)幅型電路調(diào)幅型電路 1 1交流電橋電路交流電橋電路 （1）單臂橋式電路）單臂橋式電路（2）差動(dòng)接法變壓器交流電橋電路）差動(dòng)接法變壓器交流電橋電路 圖4.12 單臂接

9、法交流電橋電路圖4.13 變壓器交流電橋電路00oss000CCCCCUUUCCCCC () ()() ()2 2運(yùn)算放大器式測量電路運(yùn)算放大器式測量電路 理想運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為理想運(yùn)算放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為 采用基本運(yùn)算放大器的最大特點(diǎn)是電路輸出電壓與電容傳感器的采用基本運(yùn)算放大器的最大特點(diǎn)是電路輸出電壓與電容傳感器的極距成正比，使基本變間隙式電容傳感器的輸出特性具有線性特性。極距成正比，使基本變間隙式電容傳感器的輸出特性具有線性特性。圖4.14 運(yùn)算放大器式測量電路 圖4.15 調(diào)零電路0oixCuuC 0oiCuudS 4.2.2 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路

10、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 電路的工作原理：利用傳感器電容充放電，使電路輸出脈沖的電路的工作原理：利用傳感器電容充放電，使電路輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而變化，再通過低頻濾波器得到占空比隨電容傳感器的電容量變化而變化，再通過低頻濾波器得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。對應(yīng)于被測量變化的直流信號。圖4.16 差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路 （a）C1 = C2 （b）C1 C2圖4.17 電路各點(diǎn)的充放電波形 當(dāng)電阻當(dāng)電阻R1 1 = = R2 = = R 時(shí)，則有時(shí)，則有 由此可知，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制型電路，其輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系。由此可知，差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制型電路，其輸出電壓與電容變化成線性

11、關(guān)系。 12oH12CCUUCC 4.2.3 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 1 1載波頻率改變的調(diào)幅調(diào)頻式載波頻率改變的調(diào)幅調(diào)頻式 該測量電路把電容式傳感器與一個(gè)電感元件配合，構(gòu)成一個(gè)振蕩器該測量電路把電容式傳感器與一個(gè)電感元件配合，構(gòu)成一個(gè)振蕩器諧振電路。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電容量發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)諧振電路。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電容量發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再經(jīng)過鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大器放的變化。再經(jīng)過鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)放大器放大后即可顯示，這種方法稱為調(diào)頻法。大后即可顯示，這種方法稱為調(diào)頻法。 調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率 圖4

12、.18 調(diào)頻-鑒頻電路原理圖 12fLC4.3 4.3 實(shí)際中存在的問題及其解決辦法實(shí)際中存在的問題及其解決辦法 1 1溫度影響溫度影響 應(yīng)盡量選擇溫度系數(shù)小且穩(wěn)定的金屬材料做電容器極板，如鐵鎳合金應(yīng)盡量選擇溫度系數(shù)小且穩(wěn)定的金屬材料做電容器極板，如鐵鎳合金；此外，應(yīng)采用差動(dòng)對稱結(jié)構(gòu)，在測量電路中加以補(bǔ)償。；此外，應(yīng)采用差動(dòng)對稱結(jié)構(gòu)，在測量電路中加以補(bǔ)償。 極板支承架應(yīng)選擇絕緣性能良好的材料，如陶瓷、石英等高絕緣電阻極板支承架應(yīng)選擇絕緣性能良好的材料，如陶瓷、石英等高絕緣電阻、低吸濕性材料。、低吸濕性材料。 圖4.19 極板周邊加裝同心圓環(huán)示意圖 2 2電場的邊緣效應(yīng)電場的邊緣效應(yīng) 增加極板面

13、積和減小極間距離可減增加極板面積和減小極間距離可減小邊緣效應(yīng)的影響；當(dāng)檢測精度要求很小邊緣效應(yīng)的影響；當(dāng)檢測精度要求很高時(shí)，可考慮加裝等位環(huán)，如圖高時(shí)，可考慮加裝等位環(huán)，如圖4.194.19所所示，即在極板周邊外圍的同一平面上加示，即在極板周邊外圍的同一平面上加裝一個(gè)同心圓環(huán)，致使極板周邊極間電裝一個(gè)同心圓環(huán)，致使極板周邊極間電場分布均勻，以消除邊緣效應(yīng)的影響。場分布均勻，以消除邊緣效應(yīng)的影響。3 3寄生電容的影響寄生電容的影響 （1 1）減小引線長度。）減小引線長度。 （2 2）屏蔽。）屏蔽。4.3 4.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 1 1電容式位移傳感器電容式位移傳感器 采用了

14、差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)測量桿隨被測位移運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)活動(dòng)電極位采用了差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)測量桿隨被測位移運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)活動(dòng)電極位移時(shí)，導(dǎo)致活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極間的覆蓋面積發(fā)生變化，其電容移時(shí)，導(dǎo)致活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極間的覆蓋面積發(fā)生變化，其電容量也相應(yīng)產(chǎn)生變化。量也相應(yīng)產(chǎn)生變化。 圖4.20 變面積式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖 2 2電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 該壓力傳感器可用于測量微小壓差。該壓力傳感器可用于測量微小壓差。 3 3電容測厚儀電容測厚儀 電容測厚儀的關(guān)鍵部件之一就是電容測厚傳感器。在板材軋電容測厚儀的關(guān)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)測金屬板材的厚度變化情況。制過程中由它監(jiān)測金屬

15、板材的厚度變化情況。 圖4.21 差動(dòng)電容式壓力傳感器原理圖 圖4.22 電容測厚儀工作原理小 結(jié) 變電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳變電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、抗過載能力大、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、抗過載能力大、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。點(diǎn)，且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。 只要固定平行板電容器只要固定平行板電容器3個(gè)參量個(gè)參量d、S、e 中的兩個(gè)，只要另外一中的兩個(gè)，只要另外一個(gè)參數(shù)改變，則電容量就將產(chǎn)生變化，所以電容式傳感器可以分成個(gè)參數(shù)改變，則電容量就將產(chǎn)生變化，所以電容式傳感器可以分成3種類型：變面積式、變間隙式與變介電常數(shù)式。種類型：變面積式、變間隙式與變介電常數(shù)式。 電容傳感器的輸出電容值一般十分微小，幾乎都在幾皮法至幾十電容傳感器的輸出電容值一般十分微小，幾乎都在幾皮法至幾十皮法之間，因而必須借助于一些測量電路，將微小的電容值成比例地皮法