第8章電容式傳感器課件

第8章電容式傳感器2010.04.032各種電容式傳感器電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器目的、教學(xué)要求：

了解電容式測(cè)量的基本概念，掌握三種類型的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、參數(shù)計(jì)算公式和應(yīng)用范圍。重點(diǎn)、難點(diǎn)：

三種類型電容式傳感器的工作原理及參數(shù)的計(jì)算。主要內(nèi)容：

電容式測(cè)量的基本概念；電容的計(jì)算公式；三種類型的電容式傳感器：即變面積式、變間隙式和變介電常數(shù)式?！?-1電容式傳感器的工作原理及類型§8-1電容式傳感器的工作原理及類型+++dAd、S或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。S—極板相對(duì)覆蓋面積；d—極板間距離；εr—相對(duì)介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0

＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。三種基本類型：變極距(變間隙)(d)型變面積型(S)型變介電常數(shù)(εr)型C、d或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。

（一）變面積式電容傳感器1、直線位移型當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△x后，電容的改變量為其靈敏度為8.1.1變面積式電容傳感器

當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積發(fā)生變化，此時(shí)電容值和靈敏度為

+++2、角位移型3、園柱型電容傳感器變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)δ2變極距型電容傳感器1CC08.1.2

變間隙式電容傳感器

圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極(動(dòng)片)，當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化，其電容變化量ΔC為

該類型電容式傳感器存在著原理非線性，所以實(shí)際應(yīng)用中，為了改善非線性、提高靈敏度和減小外界因素(如電源電壓、環(huán)境溫度)的影響，常常作成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)或采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路來(lái)改善其非線性。C0—極距為時(shí)的初始電容量。變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來(lái)測(cè)量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為

δx厚度傳感器C1C2C3C8.1.3變介電常數(shù)型電容傳感器若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如下圖，傳感器的電容量與被液位的關(guān)系為

液位傳感器hC1CC2可見，傳感器電容量C與被測(cè)液位高度hx成線性關(guān)系。

2r12r2hx例某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的εr

＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：8.2電容式傳感器的等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感：RS由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容；RP是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大。供電電源頻率為諧振頻率的1/3~1/28.3電容式傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路借助信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率信號(hào)。8.3.1橋式轉(zhuǎn)換電路將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂(另一個(gè)臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個(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，且寄生電容影響極小、大大簡(jiǎn)化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。變壓器電橋空載輸出電壓為：變間隙式差動(dòng)電容器傳感器，當(dāng)動(dòng)片位于兩定片中間位置時(shí)，有：電橋平衡，開路輸出電壓為0。當(dāng)動(dòng)片上移（下移）x時(shí)，C1,C2變化，得到：輸出電壓與位移呈線性關(guān)系。但是，電路中電橋橋供交流電壓必須穩(wěn)定，因此電橋輸出阻抗很高，其后必須接高阻抗的放大器。特點(diǎn)：①高頻交流正弦波供電；②電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；③通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋；④輸出阻抗很高(幾MΩ至幾十MΩ)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。8.3.1橋式轉(zhuǎn)換電路-A～uoC0Cxu∑運(yùn)算放大器式電路原理圖變間隙式差動(dòng)電容器傳感器，有：放大器輸出電壓有：8.3.2運(yùn)算放大器式轉(zhuǎn)換電路則有：顯然，輸出電壓與電容極板間距成線性關(guān)系，這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。這里是假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=∞，輸入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。8.3.3C/F轉(zhuǎn)換電路又稱差動(dòng)脈寬(脈沖寬度)調(diào)制電路8.3.43脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào)。圖為差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖，圖中C1、C2為差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)電容，若用單組式，則其中一個(gè)為固定電容，其電容值與傳感器電容初始值相等；A1、A2是兩個(gè)比較器，Ur為其參考電壓。R2雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器VD1VD2A1A2ABR1C1C2FQQUr差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路GuAB21UAB經(jīng)低通濾波后，得到直流電壓U0為UA、UB—A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量；T1、T2—分別為C1和C2的充電時(shí)間；U1—觸發(fā)器輸出的高電位。C1、C2的充電時(shí)間T1、T2為設(shè)R1＝R2＝R，則

因此，輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。Ur—比較器的參考電壓。tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖U08.4電容式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等。由于材料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量之中。241．電容式壓力傳感器

當(dāng)PH=PL時(shí)，膜片處于中間位置，C1=C2；當(dāng)有差壓作用時(shí)，測(cè)量膜片產(chǎn)生形變：

PH>PL時(shí)，膜片PL向彎曲，C1<C2，；

PH<PL時(shí)，膜片PH向彎曲，C1>C2；將這種電容變化通過(guò)電路轉(zhuǎn)換為電壓變化2.電容式料位計(jì)

用于水泥、化工、罐裝等傳感器靜電容：26

電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用振蕩電路被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。被測(cè)物體感應(yīng)電極經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstant