第5章電容式傳感器

第5章電容式傳感器當(dāng)前1頁，總共67頁。★優(yōu)點：①高阻抗，小功率。②靈敏度高，具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。③良好的動態(tài)特性。④結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強。⑤可進行非接觸測量。⑥本身發(fā)熱影響小。★缺點：①變間隙電容傳感器非線性較嚴重。②輸出阻抗很高。③寄生電容大。當(dāng)前2頁，總共67頁。應(yīng)用：

傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動、角度、加速度等機械量精密測量。現(xiàn)逐漸應(yīng)用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測量。當(dāng)前3頁，總共67頁。電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器各種電容式傳感器當(dāng)前4頁，總共67頁。電容式傳感器典型應(yīng)用硅微電容式傳感器測量管道液位高度當(dāng)前5頁，總共67頁。5.1電容式傳感器的工作原理在忽略邊緣效應(yīng)時，平板電容器的電容為1平板電容器當(dāng)前6頁，總共67頁。邊緣效應(yīng)：1）邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因2）產(chǎn)生的后果:邊緣效應(yīng)將使電容量增大，靈敏度降低。+-圖5-3邊緣效應(yīng)當(dāng)前7頁，總共67頁。3）消除邊緣效應(yīng)的方法增大初始電容量，即可適當(dāng)增大極板面積、減小極板間距。采用等位環(huán)的方法。圖5-4消除邊緣效應(yīng)當(dāng)前8頁，總共67頁。

d

—

距離，稱變極距型傳感器

S—

面積，稱變面積型傳感器

ε—

介質(zhì)，稱變介質(zhì)型傳感器變極距型傳感器按電容器參數(shù)變化特性分類電容器C可以通過改變

5.2電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及主要特性當(dāng)前9頁，總共67頁。變面積型傳感器當(dāng)前10頁，總共67頁。變介質(zhì)型傳感器當(dāng)前11頁，總共67頁。5.2.1變極距型平板電容式傳感器設(shè)動極板未移動時極板間距為d0,初始電容量為：（）當(dāng)前12頁，總共67頁。極板2上移?d：電容的相對變化量為：（）（）當(dāng)前13頁，總共67頁。略去非線性項，得：所以變極距型電容傳感器在設(shè)計時要考慮滿足Δd<<d0的條件。且一般Δd只能在極小的范圍內(nèi)變化。一般取?d/d=0.02~0.1。級數(shù)展開（）（）當(dāng)前14頁，總共67頁。非線性誤差與Δd/d0有關(guān)。其表達式為：式（）略去二次方以上各項，得（）圖5-5變間隙式傳感器的非線性當(dāng)前15頁，總共67頁。傳感器的靈敏度為：（）說明:1）靈敏度K與極距d0的平方成反比。2)為了提高靈敏度，減小非線性，常采用差動電容式傳感器.

當(dāng)前16頁，總共67頁。d0越小，靈敏度越高。d0過小，容易引起電容擊穿或短路。

采取的措施：可在極板間放置云母片或其它介電常數(shù)高的材料。圖5-6極板間放置云母片當(dāng)前17頁，總共67頁。圖5-7差動電容式傳感器差動電容式傳感器當(dāng)前18頁，總共67頁。動極板上移?d時：初始位置時，（）（）當(dāng)前19頁，總共67頁。（）（）（）當(dāng)前20頁，總共67頁。提高一倍減小略去高次項：電容量的相對變化為：非線性誤差為：靈敏度：（）（）（）（）當(dāng)前21頁，總共67頁。板狀線位移變面積型

當(dāng)動極板沿箭頭所示的方向移動△x時，其電容量為傳感器的靈敏度為圖5-8變面積式板狀線位移5.2.2變面積型電容傳感器當(dāng)前22頁，總共67頁。說明:傳感器的輸出呈線性;增大b,減小d0，可提高靈敏度，但是b值的增大受結(jié)構(gòu)的限制。而d值也不可能太小，否則有可能引起電容的擊穿或短路，同時加工難度加大;x不能太小，否則邊緣效應(yīng)影響增大，引起非線性。

當(dāng)前23頁，總共67頁。初始電容C0為：當(dāng)內(nèi)筒上移△x時，內(nèi)外筒間的電容C1為：rRl△x同心圓筒形線位移電容式傳感器圖5-9變面積式筒狀線位移當(dāng)前24頁，總共67頁。

電容量的相對變化為：靈敏度為：可見，其輸出與輸入成線性關(guān)系，靈敏度是常數(shù)，但與極板變化型相比，圓柱式電容傳感器靈敏度較低，但其測量范圍更大。PartA電容式傳感器當(dāng)前25頁，總共67頁。θ定片動片角位移式靈敏度：電容量的相對變化為：變面積型角位移當(dāng)前26頁，總共67頁。串聯(lián)：5.2.3變介電常數(shù)型電容傳感器a)平板結(jié)構(gòu)

并聯(lián)：當(dāng)前27頁，總共67頁。CC2C1(b）圓筒式液位傳感器初始電容圖5-12液位傳感器2r22r1hhx當(dāng)前28頁，總共67頁。與被測液位hx成線性關(guān)系。圖5-12液位傳感器2r22r1hhx當(dāng)前29頁，總共67頁。1、變間距式電容傳感器適用于測量微小位移是因為()

A.電容量微弱、靈敏度太低B.傳感器靈敏度與間距平方成反比，間距變化大則非線性誤差大C.需要做非接觸測量2、變間距（d）型平板電容傳感器，當(dāng)d0=1mm時，若要求測量線性度為0.1%，求允許間距測量的最大變化量是多少？練習(xí)題當(dāng)前30頁，總共67頁。3、已知變面積型電容傳感器的兩極板間距離為10mm，ε=50μF/m，兩極板幾何尺寸一樣，為30mm×20mm×5mm,在外力作用下，其中動極板在原位置上向外移動了10mm，已知真空時的介電常數(shù)ε0=8.854×10-12F/m，試求△C=？K=？當(dāng)前31頁，總共67頁。常用典型的測量電路有以下幾種:1）調(diào)頻電路2)運算放大器式電路3)電橋電路4)脈沖寬度調(diào)制電路5.3電容式傳感器的測量電路

當(dāng)前32頁，總共67頁。5.3.1調(diào)頻測量電路電容式傳感元件作為LC振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器振蕩頻率當(dāng)電容傳感器工作時，電容C發(fā)生變化，使振蕩器的頻率f發(fā)生相應(yīng)的變化△f。當(dāng)前33頁，總共67頁。5.3.2運算放大器式電路

1）優(yōu)點：改善單個變極距型電容式傳感器特性的非線性關(guān)系2）原理：如圖所示圖5-17運算放大器式電路當(dāng)前34頁，總共67頁。電路假設(shè)條件：（1）運算放大器增益非常高，輸入電壓若不使放大器飽和?！疤摰亍保?）放大器的輸入阻抗很高。-===x0xx0iIICjIUCjIU&&&&&&wwo0

0oxiCCUU&&-=當(dāng)前35頁，總共67頁。（3）注意①輸出Uo與動極片位移d成線性關(guān)系是在運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無限大的條件下得出的，實際上該測量電路仍然存在一定的非線性。②Uo與電源電壓Ui、固定電容C0及電容式傳感器的ε、A等有關(guān)，任何這些參數(shù)的波動都將使輸出特性產(chǎn)生誤差，因此固定電容C0必須穩(wěn)定，且需要高精度的交流穩(wěn)壓源。③由于電容傳感器的電容小，容抗很高，故傳感器與放大器之間的聯(lián)結(jié)，需要有屏蔽措施。當(dāng)前36頁，總共67頁。1.阻容電橋5.3.3電橋電路圖5-14阻容電橋電路原理當(dāng)前37頁，總共67頁。2.變壓器電橋圖5-15變壓器電橋電路原理當(dāng)前38頁，總共67頁。將阻抗表達式代入上式得

當(dāng)動極板移動Δd時，則有電橋的輸出電壓為:輸出與位移成理想線性關(guān)系當(dāng)前39頁，總共67頁。3.二極管雙T型交流電橋當(dāng)傳感器沒有輸入時，

C1＝C2一個周期內(nèi)流過負載的平均電流為0電源正半周電源正半周電源正半周電源負半周當(dāng)前40頁，總共67頁。3.二極管雙T型交流電橋當(dāng)傳感器有輸入時，C1≠C2在負載和電源確定的情況下，輸出電壓只與電容的差值有關(guān)。該測量電路的優(yōu)點：電路簡單，無需相敏檢波和整流電路，便可得到較高的直流輸出電壓。輸出信號的上升時間取決于負載電壓，可用于測量高速機械運動。當(dāng)前41頁，總共67頁。5.3.4差動脈寬調(diào)制電路圖5-16差動脈沖調(diào)寬電路當(dāng)前42頁，總共67頁。tuA0U1uB0U1tuABU1-U10tUMUf0T1t0tUNUfT2uAB-U1U10t0tUNUfT20tuBU1UMUfT10t差動脈沖調(diào)寬電路各點電壓波形圖0tuAU1當(dāng)前43頁，總共67頁。根據(jù)電路知識可知：UA、UB—A點和B點的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時間T1、T2為：當(dāng)前44頁，總共67頁。A、B兩點間的電壓經(jīng)低通濾波器濾波后獲得，等于A、B兩點電壓平均值UA與UB之差，設(shè)R1＝R2＝R，則說明差動脈沖調(diào)制電路輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。當(dāng)前45頁，總共67頁。對于差動式變極距型電容傳感器：對于差動式變面積型電容傳感器來說，設(shè)電容器初始有效面積為S0，變化量為ΔS，則濾波器輸出為：當(dāng)前46頁，總共67頁。結(jié)論：差動脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動式電容傳感器，并具有理論上的線性特性。該電路采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等；經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓，對輸出矩形波的純度要求也不高。當(dāng)前47頁，總共67頁。5.4.1溫度變化對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響1.溫度變化引起傳感器特性結(jié)構(gòu)變化引起電容式傳感器各組成零件尺寸改變，與組成零件的幾何尺寸及零件材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)。補償：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡量減少熱膨脹尺寸鏈的組成環(huán)節(jié)數(shù)目及其尺寸；選用膨脹系數(shù)小，幾何尺寸穩(wěn)定的材料。采用差動對稱結(jié)構(gòu)并在測量線路中對溫度誤差加以補償。2.溫度變化引起介質(zhì)介電常數(shù)的變化。5.4電容式傳感器的結(jié)構(gòu)及抗干擾問題當(dāng)前48頁，總共67頁。寄生電容分布電容：電容極板與周圍物體（元器件、人體等）之間產(chǎn)生的一個電容。：電容引線與大地之間的電容。消除克服方法：1）靜電屏蔽（消除寄生電容）：傳感器放入金屬殼體內(nèi)；2）引線采用屏蔽線且屏蔽線外層良好接地；3）采用驅(qū)動電纜技術(shù)。5.4.2寄生電容當(dāng)前49頁，總共67頁。驅(qū)動電纜法（等電位屏蔽法）當(dāng)前50頁，總共67頁。4、現(xiàn)有一只0-20mm的電容位移傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖（a）所示。已知L=25mm,R=6mm,r=4.5mm,其中圓柱C為內(nèi)電極，A,B圓筒為兩個外電極，D為屏蔽套筒，C、B構(gòu)成一個固定電容CF,C、A構(gòu)成一個隨屏蔽套筒伸入位移量x而變的可變電容CX,擬采用理想運放電路（如圖b）,試回答：練習(xí)題當(dāng)前51頁，總共67頁。（1）要求運放輸出電壓與輸入位移x成正比，在運放線路中CF與Cx應(yīng)如何連接？（2）屏蔽筒伸入1mm所引起的電容變化量為多大？（3）輸入電壓Usr=6V時，輸出電壓Usc為多少？（4）固定電容CF的作用何在？（5）傳感器與運放線路的連接線對傳感器的輸出有無影響？當(dāng)前52頁，總共67頁。圖5-18球型差壓傳感器差動型凸玻璃圓片彈性膜片(動電極)固定電極P例1電容式壓差傳感器P彈性膜片(動電極)固定電極圖5-19平面型壓力傳感器單只變間隙型5.5

電容式傳感器的應(yīng)用當(dāng)前53頁，總共67頁。hmaxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效電路當(dāng)前54頁，總共67頁。例2

電容式稱重傳感器圖5-20

電容式稱重傳感器電容式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)形式很多，基本原理都是利用彈性敏感元件受壓后變形，引起電容隨外加重量的變化而變化。稱重時，彈性元件受力變形，使動極板發(fā)生位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化。配接調(diào)頻式電路，就會引起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。絕緣材料定極板動極板極板支架彈性體當(dāng)前55頁，總共67頁。圖5-21

電容式稱重傳感器F在彈性鋼體上高度相同處打一排孔，在孔內(nèi)形成一排平行的平板電容，當(dāng)稱重時，鋼體上端面受力，圓孔變形，每個孔中的電容極板間隙變小，其電容相應(yīng)增大。由于在電路上各電容是并聯(lián)的，因而輸出反映的結(jié)果是平均作用力的變化，測量誤差大大減?。ㄕ`差平均效應(yīng)）當(dāng)前56頁，總共67頁。圖5-22

電容式加速度傳感器彈簧片定極板2質(zhì)量塊（動極板）定極板1絕緣體aC1C2m例3電容式加速度傳感器當(dāng)前57頁，總共67頁。例4

電容測厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用圖5-23

電容式傳感器測鋼板厚度當(dāng)前58頁，總共67頁。圖5-24電容式料位計1-金屬電容；2-測量電極；3-輔助電極；4-絕緣套例5電容式料位計電容式料位計不僅能測不同性質(zhì)的液體，而且還能測量不同性質(zhì)如塊狀、顆粒狀、粉狀、導(dǎo)電性、非導(dǎo)電性的物料。但因固體摩擦力大，容易“滯留”，產(chǎn)生虛假料位，因此一般不使用雙層電極，而是只用一根電極棒。當(dāng)前59頁，總共67頁。

電容式料位計在測量時，物料的溫度、濕度、密度變化或摻有雜質(zhì)時，會引起介電常數(shù)變化，產(chǎn)生測量誤差。為了消除這一介質(zhì)因素引起的測量誤差，一般將一根輔助電極始終埋入被測物料中。輔助電極與測量電極(也稱主電極)可以同軸，也可以不同軸。設(shè)輔助電極長L0，它相對于料位為零時的電容變化量為：當(dāng)前60頁，總共67頁。主電極的電容變化量為Cx

，則有：由于L0是常數(shù)，因此料位變化僅與兩個電容變化量之比有關(guān)，而介質(zhì)因素波動所引起的電容變化對主電極與輔助電極是相同的，相比時被抵消掉，從而起到誤差補償作用。當(dāng)前61頁，總共67頁。常規(guī)的鍵盤有機械式按鍵和電容式按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關(guān)的鍵盤，原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時形成震蕩脈沖允許通例6電容式鍵盤過的條件。理論上這種開關(guān)是無觸點非接觸式的，磨損率極小甚至可以忽略不計，也沒有接觸不良的隱患，具有噪音小，容易控制手感，可以制造出高質(zhì)量的鍵盤，但工藝較機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

當(dāng)前62頁，總共67頁。例7電容式油量表

當(dāng)油箱中注滿油時，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時，電容傳感器的電容量Cx減小，電橋失去平衡，伺服電動機反轉(zhuǎn)，指針逆時針偏轉(zhuǎn)（示值減?。瑫r帶動RP的滑動臂移動。當(dāng)RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，伺服電動機停轉(zhuǎn)，指針停留在新的位置（

x處