《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》教學課件第四章電容式傳感器

1、2022/8/201第4章 電容式傳感器第1頁，共42頁。2022/8/202引言電容式傳感器是將被測非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器。 結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、可非接觸測量，并能在高溫、輻射和強烈震動等惡劣條件下工作 。很有發(fā)展前途的傳感器 。第2頁，共42頁。2022/8/2034.1電容式傳感器工作原理由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為保持其中兩個參數(shù)不變，僅改變其中一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式3種類型。 第3頁，共42頁。2022/8

2、/2044.1 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(zhì)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4頁，共42頁。2022/8/205面積變化型電容傳感器原理 1. 直線位移型第5頁，共42頁。2022/8/206面積變化型電容傳感器原理 2. 角位移型第6頁，共42頁。2022/8/207面積變化型電容傳感器原理 3. 圓筒型第7頁，共42頁。2022/8/2084.1.2 變極距式電容傳感器當改變電容器兩極板間的距離時，電容器的電容也會發(fā)生變化。第8頁，共42頁。202

3、2/8/209（a）為平板形位移電容傳感器。 設(shè)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9頁，共42頁。2022/8/2010差動結(jié)構(gòu)形式 提高測量精度 ，減少動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。 第10頁，共42頁。2022/8/2011 4.1.3 變介質(zhì)式電容傳感器 介質(zhì)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(zhì)情況發(fā)生變化。主要用來測量兩極板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。第11頁，共42頁。2022/8/2012介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)

4、1.位移型第12頁，共42頁。2022/8/2013介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu) 2.液位型第13頁，共42頁。2022/8/2014結(jié)論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(guān)系，只要測出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。 第14頁，共42頁。 當電容傳感器處于初始位置時，電橋平衡，電橋輸出電壓 ；當被測量的變化引起電容傳感器的電容發(fā)生變化時，電橋失去平衡，電橋有電壓輸出，即 。2022/8/20154.2 電容式傳感器的測量電路常用電路有:電橋電路、運算放大器測量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。1.電橋電路。 第15頁，共42頁。2022/8/20164.2電容式傳感器的測量電路1.

5、電橋電路為了提高靈敏度，減小誤差，常采用差動形式，其電路如圖所示。Cx1和Cx2表示差動式電容傳感器的兩個電容。第16頁，共42頁。2022/8/20174.2電容式傳感器的測量電路1.電橋電路-電橋測量電路框圖第17頁，共42頁。2022/8/20184.2電容式傳感器的測量電路2.二極管雙T形交流電橋 二極管雙T形交流電橋電路原理如圖4-12所示。圖中，C1、C2為差動電容式傳感器的電容，RL為負載電阻，VD1、VD2為理想二極管，R1、R2為固定電阻；e為高頻電源，它提供幅值為Ue的對稱方波。第18頁，共42頁。2022/8/20194.2電容式傳感器的測量電路3.運算放大器式測量電路

6、運算放大器的特點就是放大倍數(shù)A很大，輸入阻抗也很大。理想的運算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗都是無窮大。利用運算放大器的這些特點就可作為電容式傳感器的測量電路，來解決單個變極距式電容器傳感器的非線性問題。運算放大器式測量電路如圖所示。圖中，C為總的輸入電容，Cx是電容傳感器。第19頁，共42頁。2022/8/20204.2電容式傳感器的測量電路4.調(diào)頻電路: 把電容式傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分，其部分電路如圖所示。當被測量引起電容量變化時，振蕩器的振蕩頻率就會發(fā)生變化，然后通過鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅值的變化，再經(jīng)過放大后就可以通過儀表顯示出來。調(diào)頻電路具有較高的靈敏度，可測至0.01m級

7、位移變化量。易于用數(shù)字儀器測量，并能與計算機通訊，抗干擾能力強。第20頁，共42頁。2022/8/20214.2電容式傳感器的測量電路5.諧振電路: 振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號通過L1、C1回路選頻，再通過電感耦合到LCx諧振回路。當傳感器電容Cx發(fā)生變化時，則引起諧振回路阻抗的變化，而這個變化會使整流器的電流發(fā)生變化。變化的電流再經(jīng)放大器放大后就可通過儀表顯示被測量的變化。 諧振電路的靈敏度較高，但工作點不易選擇，變化范圍較窄。第21頁，共42頁。2022/8/20224.2電容式傳感器的測量電路6.脈沖寬度調(diào)制電路第22頁，共42頁。2022/8/20234.3 電容式傳感器的誤差及制作要求

8、4.3.1 電容式傳感器的誤差因素1.溫度的影響3.寄生電容的影響2.漏電阻的影響第23頁，共42頁。2022/8/20244.3 電容式傳感器的誤差及制作要求4.3.2 電容式傳感器的制作要求1） 傳感器的電容值要盡量的大些。目的在于降低輸出阻抗及對絕緣材料的要求，提高靈敏度。（2） 要采用介電常數(shù)大的電介質(zhì)材料。（3） 要選用膨脹系數(shù)小的材料作為電極。目的在于減小溫度附加誤差。（4） 要求電源的頻率不應(yīng)過低。目的在于減小輸出阻抗，提高靈敏度。一般不應(yīng)小于5001000Hz。（5） 要求傳感器及引線要采用屏蔽措施。目的在于消除寄生電容的影響，提高靈敏度。第24頁，共42頁。2022/8/20

9、254.4 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器不但應(yīng)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(yīng)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25頁，共42頁。2022/8/20264.4.1 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是將由被測壓力引起的彈性元件的位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓瘉韺崿F(xiàn)測量的。第26頁，共42頁。2022/8/20274.4.2 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器是將被測物的振動轉(zhuǎn)換為電容量變化，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-19所示第27頁，共42頁。2022/8/20284.4.3 電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器是通過改變傳感器中電介質(zhì)的介電常數(shù)，從而

10、引起電容量的變化來實現(xiàn)測量的。第28頁，共42頁。2022/8/20294.4.4 電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器是利用彈性元件的變形，致使電容隨外加載荷的變化而變化。第29頁，共42頁。2022/8/20304.4.5 電容式厚度傳感器1.電容式測厚儀第30頁，共42頁。2022/8/20314.4.5 電容式厚度傳感器2.電容式厚度傳感器第31頁，共42頁。2022/8/20324.4.6 電容式位移傳感器電容式位移傳感器就是通過改變電容器極板間的距離引起電容量的變化來實現(xiàn)測量的。通常采用的是一種單極變極距式。第32頁，共42頁。2022/8/20334.5 電容柵式傳感器電容柵式傳感器

11、是在電容式傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳感器。它具有電容式傳感器的優(yōu)點，當然它也有其自身的特點，如抗干擾能力強、精度高和量程大等特點。第33頁，共42頁。2022/8/20344.5.1 基本類型及原理1.基本類型及原理第34頁，共42頁。2022/8/20354.5.1 基本類型及原理2.電容柵極片的結(jié)構(gòu)形式（a）動尺第35頁，共42頁。2022/8/20364.5.2 測量電路電容柵式傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相式測量電路，以得到調(diào)幅或調(diào)相信號。第36頁，共42頁。2022/8/20374.5.2 測量電路電容柵式傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相式測量電路，以得到調(diào)幅或調(diào)相信號。第37頁，共42頁。2022

12、/8/2038附：電容式接近開關(guān)1檢測極板 2充填樹脂 3測量轉(zhuǎn)換電路 4塑料外殼5靈敏度調(diào)節(jié)電位器 6工作指示燈 7信號電纜第38頁，共42頁。2022/8/2039工作過程（1）檢測極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端，測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)殼體內(nèi)，用介質(zhì)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(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)（Q）的LC振蕩電路，Q=1（CR）。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39頁，共42頁。2022/8/2040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(yīng)，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