電容式傳感器

關于電容式傳感器一、電容傳感器簡介

電容傳感器是一種將被測非電量的變化轉換成電容式變化的傳感器。電容式傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、結構簡單、使用壽命長以及可以進行非接觸測量等特點，非常適合在高潮濕、高塵埃及超高低溫等惡劣環(huán)境下長期使用，廣泛應用于壓力、差壓、液壓、振動、加速度、成分含量等方面的測量。

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二、電容式傳感器的分類及工作原理分類：按工作方式分類1.變極距型電容傳感器2.變面積型電容傳感器3.變介電常數(shù)型電容傳感器第3頁,共48頁，2024年2月25日，星期天1變極距型電容傳感器

S——極板相對覆蓋面積；

d——極板間距離；

εr——相對介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)；

ε——電容極板間介質的介電常數(shù)。

dSε

固定極板A活動極板B保持其中兩個參數(shù)不變，僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化，通過測量電路就可轉換為電量輸出。第4頁,共48頁，2024年2月25日，星期天dSε

固定極板A活動極板B初始電容:若極距縮小△d非線性關系若△d/d<<1時，則上式可簡化為:最大位移應小于間距的1/10差動式改善其非線性第5頁,共48頁，2024年2月25日，星期天兩極板的有效作用面積及極板間的介質保持不變，則電容量C隨極距d按非線性關系變化，第6頁,共48頁，2024年2月25日，星期天分析動極板2未動時傳感器初始電容當動極板2移動x值后，第7頁,共48頁，2024年2月25日，星期天分析當（）時電容與x近似線性關系，但量程縮小很多，變極距式電容傳感器的靈敏度為

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結論極距變化型電容傳感器可實現(xiàn)動態(tài)非接觸測量，動態(tài)響應特性好，靈敏度和精度極高（可達nm級），適應于較小位移（1nm～1

m）的精度測量。但傳感器存在原理上的非線性誤差，線路雜散電容（如電纜電容、分布電容等）的影響顯著，為改善這些問題而需配合使用的電子電路比較復雜極距變化型電容傳感器的靈敏度與極距的平方成正比，極距越小靈敏度越高。但極距過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質。原理上的非線性，要修正。

第9頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2變面積式電容傳感器面積變化式電容傳感器在工作時的極距、介質等保持不變，被測量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。變面積式電容傳感器的兩個極板中，一個是固定不動的，稱為定極板，另一個是可移動的，稱為動極板。第10頁,共48頁，2024年2月25日，星期天面積變化型電容傳感器原理當動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電容變化量化為△C與△x間呈線性關系固定極板A活動極板B第11頁,共48頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共48頁，2024年2月25日，星期天平板形位移電容傳感器設兩個相同極板的長為b，寬為a，極板間距離為d，當動極板移動x后，電容Cx也隨之改變。電容的相對變化量和靈敏度為第13頁,共48頁，2024年2月25日，星期天圓柱形線位移傳感器第14頁,共48頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共48頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共48頁，2024年2月25日，星期天角位移形式的電容傳感器當動極板有一角位移時，兩極板的相對面積A也發(fā)生改變，導致兩極板間的電容量發(fā)生變化當時當時 第17頁,共48頁，2024年2月25日，星期天推導過程電容與角位移成線性關系。其靈敏度為變面積式電容傳感器的輸出是線性的，靈敏度K是一常數(shù)。第18頁,共48頁，2024年2月25日，星期天3變介電常數(shù)型電容式傳感器當L=0時，傳感器的初始電容當被測電介質進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為：電容變化量與電介質移動量L呈線性關系第19頁,共48頁，2024年2月25日，星期天結論介質變化型電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測量的變化使其極板之間的介質情況發(fā)生變化。主要用來測量兩極板之間的介質的某些參數(shù)的變化，如介質厚度、介質濕度、液位等。傳感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面h成線性關系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。第20頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

三、電容的選擇

常見的電容材料：云母電容：用金屬箔或者在云母片上噴涂銀層做電極板，極板和云母一層一層疊合后，再壓鑄在膠木粉或封固在環(huán)氧樹脂中制成。它的特點是介質損耗小，絕緣電阻大、溫度系數(shù)小，適宜用于高頻電路。陶瓷電容：用陶瓷做介質，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質薄膜做極板制成。它的特點是體積小，耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適宜用于高頻電路。鐵電陶瓷電容：容量較大，但是損耗和溫度系數(shù)較大，適宜用于低頻電路。薄膜電容：結構和紙介電容相同，介質是滌綸或者聚苯乙烯。滌綸薄膜電容，介電常數(shù)較高，體積小，容量大，穩(wěn)定性較好，適宜做旁路電容。聚苯乙烯薄膜電容，介質損耗小，絕緣電阻高，但是溫度系數(shù)大，可用于高頻電路。第21頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1222四·電容式傳感器的轉換電路電容傳感器將被測量的變化轉換成電容的變化后，還需由后接的轉換電路將電容的變化進一步轉換成電壓、電流或頻率的變化。第22頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1223轉換電路的組成部分1．交流電橋2．調頻電路3．運算放大式電路4．脈沖寬度調制電路5．二極管雙T型交流電橋第23頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1224交流電橋將電容傳感器的兩個電容作為交流電橋的兩個橋臂，通過電橋把電容的變化轉換成電橋輸出電壓的變化。電橋通常采用由電阻-電容、電感-電容組成的交流電橋，圖為電感-電容電橋。第24頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1225分析變壓器的兩個二次繞組L1、L2與差動電容傳感器的兩個電容C1、C2作為電橋的4個橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測量變化相對應的輸出，最后為儀表顯示記錄。第25頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1226調頻電路把傳感器接入調頻振蕩器的LC諧振網(wǎng)絡中，被測量的變化引起傳感器電容的變化，繼而導致振蕩器諧振頻率的變化。頻率的變化經(jīng)過鑒頻器轉換成電壓的變化，經(jīng)過放大器放大后輸出。第26頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1227調頻電路的特點測量電路的靈敏度很高，可測0.01

m的位移變化量，抗干擾能力強（加入混頻器后更強），缺點是電纜電容、溫度變化的影響很大，輸出電壓U0與被測量之間的非線性一般要靠電路加以校正，因此電路比較復雜。第27頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1228運算放大式電路極距變化型電容傳感器的電容與極距之間的關系為反比關系，傳感器存在原理上的非線性。利用運算放大器的反相比例運算可以使轉換電路的輸出電壓與極距之間關系變?yōu)榫€性關系，從而使整個測試裝置的非線性誤差得到很大的減小。特點：運算式電路的原理較為簡單，靈敏度和精度最高。但一般需用“驅動電纜”技術來消除電纜電容的影響，電路較為復雜且調整困難第28頁,共48頁，2024年2月25日，星期天Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號

運算放大器式電路原理圖uCACx～u0由運算放大器工作原理可知式中“負號”表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。上式說明與d成線性關系第29頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1230脈沖寬度調制電路脈沖寬度調制電路（PWM）是利用傳感器的電容充放電使電路輸出脈沖的占空比隨電容式傳感器的電容量變化而變化，然后通過低通濾波器得到對應于被測量變化的直流信號。第30頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1231第31頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1232特點能獲得線性輸出；雙穩(wěn)態(tài)輸出信號一般為100kHz～1MHz的矩形波，所以直流輸出只需經(jīng)濾波器簡單引出，不需要解調器，即能獲得直流輸出。電路采用穩(wěn)定度較高的直流電源，這比其他測量線路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的交流電源易于做到。如果將雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器Q端的電壓信號送到計算機的定時、計數(shù)引腳，則可以用軟件來測出占空比q，從而計算出ΔC的數(shù)值。這種直接采用數(shù)字處理的方法不受電源電壓波動的影響第32頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1233二極管雙T型交流電橋二極管雙T型交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供幅值為Ui的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的2個二極管，R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個差動電容。第33頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1234電容式傳感器的應用電容式傳感器不但應用于位移、振動、角度、加速度及荷重等機械量的精密測量，還廣泛應用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測量。第34頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/12351．電容式接近開關

2．電容式油量表3．電容式差壓傳感器4．電容測厚儀第35頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1236電容式接近開關1—檢測極板2—充填樹脂3—測量轉換電路4—塑料外殼

5—靈敏度調節(jié)電位器6—工作指示燈7—信號電纜第36頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1237工作過程（1）檢測極板設置在接近開關的最前端，測量轉換電路安裝在接近開關殼體內，用介質損耗很小的環(huán)氧樹脂填充、灌封。當沒有物體靠近檢測極時，檢測板與大地間的電容量C非常小，它與電感L構成高品質因數(shù)（Q）的LC振蕩電路，Q=1（ωCR）。當被檢測物體為地電位的導電體（如與大地有很大分布電容的人體、液體等）時，檢測極板對地電容C增大，LC振蕩電路的Q值將下降，導致振蕩器停振。第37頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1238工作過程（2）當不接地、絕緣被測物體接近檢測極板時，由于檢測極板上施加有高頻電壓，在它附近產(chǎn)生交變電場，被檢測物體就會受到靜電感應，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，正負電荷分離，使檢測極板的對地等效電容量增大，使LC振蕩電路的Q值降低。對能量損耗較大的介質（如各種含水有機物），它在高頻交變極化過程中是需要消耗一定能量的，該能量是由LC振蕩電路提供的，必然使Q值進一步降低，振蕩減弱，振蕩幅度減小。當被測物體靠近到一定距離時，振蕩器的Q值低到無法維持振蕩而停振。根據(jù)輸出電壓U0的大小，可大致判定被測物接近的程度。第38頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1239電容式接近開關第39頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1240電容式油量表1—油料2—電容器3—伺服電機4—減速器5—指示表盤第40頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1241工作原理當油箱中注入油時，液位上升至h處，電容的變化量ΔCX與h成正比，電容為CX=CX0+ΔCX。此時，電橋失去平衡，電橋的輸出電壓U0經(jīng)放大后驅動伺服電動機，由減速箱減速后帶動指針順時針偏轉，同時帶動RP滑動，使RP的阻值增大，當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，U0=0，伺服電動機停轉，指針停留在轉角θX1處?？蓮挠土靠潭缺P上直接讀出油位的高度h。當油箱中的油位降低時，伺服電動機反轉，指針逆時針偏轉，同時帶動RP滑動，使其阻值減少。當RP阻值達到一定值時，電橋又達到新的平衡狀態(tài)，U0=0，于是伺服電動機再次停轉，指針停留在轉角θX2處。如此，可判定油箱的油量。第41頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1242電容式差壓傳感器1—彈性膜片2—凹玻璃圓片3—金屬涂層

4—輸出端子5—空腔6—過濾器