《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課件-項(xiàng)目四 電容式傳感器及其應(yīng)用

項(xiàng)目四電容式傳感器及其應(yīng)用知識(shí)目標(biāo)

了解變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式電容傳感器的結(jié)構(gòu)形式；掌握平板電容器的電容計(jì)算公式，并能以此式說(shuō)明三類(lèi)電容器的工作原理；了解變間隙式、變面積式電容傳感器的基本特性；掌握差動(dòng)式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)；了解運(yùn)算放大器、脈沖電路等測(cè)量電路的工作原理；掌握電容傳感器的主要特點(diǎn)；了解電容式壓力、加速度、位移傳感器的

主要組成部分及工作原理；掌控常用交流電橋測(cè)量電路的組成，平衡條件和主要特點(diǎn)。

技能目標(biāo)

根據(jù)實(shí)際要求將位移、振動(dòng)、角度、壓力等機(jī)械量及液面、料面、成分含量等熱工參量轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)，并能選擇合適的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)形式和測(cè)量電路。

任務(wù)一電容式傳感器的工作原理

及其結(jié)構(gòu)形式

由物理學(xué)可知，由兩平行板組成的平行板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為:在

、S、d三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量均可使電容量C改變，也就是說(shuō)，電容量C是

、S、d的函數(shù)，這就是電容傳感器的工作原理。根據(jù)這個(gè)原理，在應(yīng)用上一般可做成四種類(lèi)型的電容傳感器。知識(shí)準(zhǔn)備1．變面積（S）式電容傳感器1—?jiǎng)訕O片2—定極片a)平板形位移傳感器b）角位移形傳感器c）園柱形位移傳感器

圖4-1a所示為平板形位移電容傳感器。設(shè)兩極板遮蓋面積為S，當(dāng)動(dòng)極移動(dòng)x后，S值發(fā)生變化，電容量CX也隨之改變。此傳感器的靈敏度K可用下式求得：

圖4-1b為角位移形式電容傳感器。當(dāng)動(dòng)片有一角位移

時(shí)，兩極板的相對(duì)應(yīng)面積S發(fā)生改變，導(dǎo)致兩極板間的電容量發(fā)生變化。當(dāng)

=0時(shí)

當(dāng)

≠0時(shí)

其靈敏度為：圖4-1c為角位移形式電容傳感器，設(shè)內(nèi)外電極長(zhǎng)度為l，起始電容量為C0，動(dòng)極板向上位移y后，電容量變?yōu)镃y，則其靈敏度為：改變遮蓋面積的電容傳感器還可以做成其他形式，這一類(lèi)傳感器多用來(lái)檢測(cè)位移、尺寸等參量。2．變極矩（d）式電容傳感器1—?jiǎng)訕O片2—定極片a)結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系（c—d特性曲線(xiàn)）

設(shè)極板2未動(dòng)時(shí)即傳感器的初始電容量為當(dāng)動(dòng)極板2移動(dòng)x值后，其電容值Cx為：當(dāng)x<<d0

時(shí)，即位移x遠(yuǎn)小于極板初始距離d0時(shí)，則上式可寫(xiě)為變極距式電容傳感器的靈敏度為：

變極矩式電容靈敏度較高，微小的位移即可產(chǎn)生較大的電容變化量，一般變極距電容傳感器的起始電容在20～300pF之間，極板距離在25～200μm的范圍內(nèi)，測(cè)量的最大位移應(yīng)該小于兩極板間距的1/10。該類(lèi)傳感器只適于微米數(shù)量級(jí)的位移測(cè)量。3．變介電常數(shù)（

）式電容傳感器氣體介質(zhì)間的電容量C1為：液體介質(zhì)間的電容量C2為：因此總電容C為如令則有：靈敏度為：圖4-4a中電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：圖4-4b中電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為：4．差動(dòng)電容傳感器傳感器a)變面積式差動(dòng)電容傳感器b）旋轉(zhuǎn)形差動(dòng)電容傳感器c）園柱形差動(dòng)電容傳感器任務(wù)二電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

電容式傳感器把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容變化量后，為了使其變化量能傳輸、放大、運(yùn)算、顯示和記錄等，還必須采用轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)。電容傳感器的轉(zhuǎn)換電路種類(lèi)很多，以下介紹幾種常用的轉(zhuǎn)換電路。知識(shí)準(zhǔn)備1．電橋電路a)單臂電橋b）差動(dòng)接法交流電橋平衡時(shí)有：

當(dāng)Cx改變時(shí)，U0≠0，有輸出電壓。在圖4-6b的電路中，接有差動(dòng)電容傳感器，其空載輸出電壓可用下式表示：應(yīng)該指出：由于電橋輸出電壓與電源電壓成比列，因此要求電源電壓波動(dòng)極小，需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。在要求精度很高的場(chǎng)合，如飛機(jī)油量表，可采用自動(dòng)平衡電橋，傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線(xiàn)性增大。在實(shí)際應(yīng)用中，接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高（一般達(dá)幾兆歐至幾十兆歐），輸出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號(hào)放大后才能測(cè)量。

電橋電路輸出是調(diào)幅波，其載波頻率為電橋電源頻率，其幅值與被測(cè)量成比例，因此電橋電路也稱(chēng)作調(diào)幅電路或振幅電路。由電橋電路組成的系統(tǒng)原理框圖，如圖4-7所示。2．調(diào)頻電路將電容傳感器接入高頻振蕩器的LC諧振回路中，作為回路的一部分，或作為晶體振蕩器中的石英晶體的負(fù)載電容，當(dāng)被測(cè)量變化使傳感器電容改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，即振蕩器頻率受傳感器電容所調(diào)制，因此稱(chēng)作調(diào)頻電路。調(diào)頻振蕩器的頻率可由下式?jīng)Q定：C=C1+C0±ΔC+C2式中：L為諧振回路的電感；C為總電容；C1為諧振回路的固有電容；C2為傳感器引線(xiàn)的分布電容；C0±ΔC為傳感器的電容。調(diào)頻電路的原理框圖，如圖4-8所示。a)直放式調(diào)頻

b)外差式調(diào)頻調(diào)頻電路的靈敏度高，頻率輸出易于得到數(shù)字輸出而不需要用A/D轉(zhuǎn)換，能獲得高電平的直流信號(hào)（伏特?cái)?shù)量級(jí)），而且這種電路抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、接受，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控。但調(diào)頻電路的頻率受溫度和電纜電容影響較大，需采取穩(wěn)頻措施，電路較復(fù)雜，頻率穩(wěn)定度不高，而且調(diào)頻電路輸出非線(xiàn)性較大，需采用線(xiàn)性化電路進(jìn)行補(bǔ)償。3．差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路a)C1=C2時(shí)的波形圖b)C1>C2時(shí)的波形圖設(shè)R1=R2=R，則可得

脈沖寬度調(diào)制電路特點(diǎn)：（1）不論是對(duì)于變面積式還是變極距式電容傳感器，均能獲得線(xiàn)性輸出；（2）雙穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)一般為100Hz～1MHz的矩形波，所以直流輸出只需經(jīng)濾波器濾波后引出即可；（3）電路采用直流電源，雖然要求直流電源的電壓穩(wěn)定度較高，但較其他測(cè)量電路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的交流電源易于實(shí)現(xiàn)。4．運(yùn)算放大器式電路

由理想運(yùn)算放大器的工作原理可得：將式代入可得5．二極管T型網(wǎng)絡(luò)該電路具有以下特點(diǎn)：1）電源、傳感器電容、平衡電容以及輸出電路都接地；2）工作電平很高，二極管VD1和VD2都工作在特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍內(nèi)；3）輸出電壓高；4）輸出阻抗為R1或R2（1～100K?），且實(shí)際上與電容C1和C2無(wú)關(guān)。適當(dāng)選擇電阻R1和R2，則輸出電流就可用毫安表或微安表直接測(cè)量；5）輸出信號(hào)的上升時(shí)間取決于負(fù)載電阻，因此上升沿時(shí)間很短，可用來(lái)測(cè)量高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)。6．使用轉(zhuǎn)換電路的注意事項(xiàng)任務(wù)實(shí)施1．電容式應(yīng)變計(jì)2．電容測(cè)厚儀1—傳動(dòng)輪2—軋輥3—電容極板4—金屬帶材3．電容式荷重傳感器1—絕緣支架2—電容極板3—鎳鉻鉬鋼塊4．濕度傳感器a)平面結(jié)構(gòu)b)側(cè)面結(jié)構(gòu)c)等效電路1—兩個(gè)上下電極2—下電極3—介質(zhì)膜電容物位計(jì)電容式壓力傳感器1—隔離膜片；2，7—固定電極；3—硅油；4—測(cè)量膜片；5—玻璃層；6—底座；8—引線(xiàn)電容式加速度計(jì)5．電容傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍電容傳感器優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，能在惡劣的環(huán)境條件下工作。電容傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度。一般用金屬做電極，無(wú)機(jī)材料作絕緣支架，可以做的非常小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊測(cè)量。有電容傳感器通常不使用有機(jī)材料或磁性材料，因此能在高溫、低溫以及強(qiáng)輻射、強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣環(huán)境下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)。（2）本身發(fā)熱影響小、溫度穩(wěn)定性好

電容傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，其所用真空、空氣或其他材料作絕緣介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)損耗很小，因此電容傳感器本身發(fā)熱問(wèn)題可以忽略不計(jì)。（3）需要的作用能量小由于帶電極板間的靜電吸引力很小，因此只需較小的作用力，就可得

到較大的電容變化量，所以電容傳感器特別適宜用來(lái)解決輸入能量低的信號(hào)的測(cè)量問(wèn)題。（4）可獲得較大的相對(duì)變化量電容傳感器的相對(duì)變化量只受線(xiàn)性和其他實(shí)際條件的限制，當(dāng)使用高線(xiàn)性電路時(shí)，電容傳感器的相對(duì)變化量可到100%或更大，因此具有較高的信噪比。（5）動(dòng)態(tài)相應(yīng)快電容傳感器的動(dòng)片質(zhì)量輕、輸入能量低、固有頻率高、載波頻率高，因而動(dòng)

態(tài)相應(yīng)快，可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)如測(cè)量震動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。（6）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)當(dāng)被測(cè)物體不能受力、高速運(yùn)動(dòng)、表面不連續(xù)或表面不允許劃傷等不允許采用直接接觸測(cè)量的情況下，電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。例如測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí)，電容傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。電容傳感器缺點(diǎn)：（1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差電容傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制不易做得很大，一般為幾十到幾百微法，因此電容傳感器的輸出阻抗高。尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗更高，因而負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，因而必須采取必要的措施以保證電路正常工作。（2）輸出特性非線(xiàn)性

變極距式電容傳感器的輸出特性是非線(xiàn)性的，即電容量和極板間的距離是非線(xiàn)性關(guān)系，雖然用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以得到改善，但是由于存在寄生電容和不可避免的不一致性，也不可能完全消除輸出特性的非線(xiàn)性。（3）寄生電容的影響電容傳感器的初始電容小，而連接傳感器和轉(zhuǎn)換電路的引線(xiàn)電容、電子線(xiàn)路的雜散電容以及傳感器內(nèi)極板與周?chē)鷮?dǎo)體

構(gòu)成的所謂“寄生大電容”卻較大，這些電容的存在減低了傳感器的靈敏度及轉(zhuǎn)換效率，而且由于這些電容常常是隨機(jī)變化的，將使儀器的工作很不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，所以需要采用相應(yīng)屏蔽措施來(lái)保證測(cè)量電路正常工作。應(yīng)用場(chǎng)合：測(cè)試直線(xiàn)位移、角位移、振動(dòng)振幅，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、液位、成分含量（如油、糧食中的含水量）、非金屬材料的涂層油膜等的厚度，