CH3電容式傳感器

學(xué)習(xí)要求：

1、掌握變極距、變面積、變介質(zhì)電容式傳感器的工作原理，特點(diǎn)及應(yīng)用。

2、熟悉常用電容式傳感器的常用檢測電路及特點(diǎn)。

3、學(xué)習(xí)應(yīng)用電容式傳感器。

第三章電容式傳感器2/4/202312/4/20232電容式傳感器2/4/20233電容式傳感器電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上,它本身（或/和被測物）就是一個(gè)可變電容器。

被測量的變化

電容式傳感器

電容量的變化

被測量：位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量及成份分析等,精度可達(dá)0.01%，250mm量程可達(dá)5um。

電容式傳感器作為頻響寬、應(yīng)用廣、非接觸測量的一種傳感器，是很有發(fā)展前途的。2/4/202343.1

電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，

ε=ε0εr，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

S——兩平行板所覆蓋的面積；

d——兩平行板之間的距離。+++dS2/4/202353.1

電容式傳感器的工作原理及類型當(dāng)被測參數(shù)變化使得式中的S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)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。因此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。其中變極距型和變面積型應(yīng)用較廣。++++++2/4/20236圖4-1電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式圖(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)為變面積型，圖(a)和(e)為變極距型，圖(i)～(l)則為變介電常數(shù)型。2/4/202372/4/20238駐極體電容傳聲器它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。2/4/20239

3·2·1變極距電容式傳感器

當(dāng)電容器板間極距d縮小Δd，電容器增大ΔC。

可見ΔC與Δd

并不是純粹線性關(guān)系。當(dāng)Δd<<d

時(shí)，，

靈敏度可見在d越小時(shí)靈敏度越高。在測量微小量變化時(shí)，可以近似認(rèn)為

3.2

電容式傳感器的靈敏度及非線性2/4/202310變極距電容式傳感器在d0較小時(shí)，對于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以很大，從而使傳感器靈敏度提高。d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可部分采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì),如下圖，2/4/202311式中：εg——云母的相對介電常數(shù)，εg=7；

ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。此時(shí)電容C變?yōu)椋?/4/202312電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)2/4/202313云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)，dg/ε0εg項(xiàng)是恒定值，它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。一般變極距電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。2/4/202314實(shí)際應(yīng)用中，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。

作用：改善非線性，提高靈敏度，減少外界因素影響。差動(dòng)型電容式傳感器2/4/2023153.2.2變面積型直線位移測量2/4/2023162、角位移量2/4/2023173、圓柱型位移量2/4/2023183.2.3

變介質(zhì)型電容式傳感器2/4/202319式中：ε0——空氣介電常數(shù)；

C0——變換器初始電容值,即3.2.3

變介質(zhì)型電容式傳感器如圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液面高度為h,變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時(shí)變換器電容值為2/4/202320變介質(zhì)型電容式傳感器可見，此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。2/4/202321變介質(zhì)型電容式傳感器圖中兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度進(jìn)入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器總電容量C為電容量的變化與電介質(zhì)εr2的移動(dòng)量L成線性關(guān)系。2/4/202322電容式傳感器應(yīng)用2/4/202323電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(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。2/4/2023243.3

電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路3.3.1

特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、溫度穩(wěn)定性好。2、結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好。4、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量。5、可以實(shí)現(xiàn)微壓、微力、微小位移、加速度等的測量。缺點(diǎn)：1、輸出阻抗高，負(fù)載能力差。2、寄生電容影響大。3、輸出特性非線性。2/4/2023253.3.2

等效電路R,L——傳輸線的電阻和電感

C

——傳感器的電容；

Cp

——寄生電容；

Rp

——極間漏電阻（絕緣電阻）；A，B端等效電容Ce

(忽略Rp,R

的影響)：2/4/202326若Cp

很小，則對C求導(dǎo)：

等效電容靈敏度：

等效電路2/4/2023273.4

電容式傳感器檢測轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小,這樣微小的電容量很難直接為目前的顯示儀表所顯示,也很難為記錄儀所接受,不便于傳輸。必須借助于測量電路檢出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。2/4/2023283.4.1

調(diào)頻測量電路

調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí),振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量,可以用來判斷被測非電量的大小,但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的,不易校正,因此加入鑒頻器,將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化,經(jīng)過放大處理后輸入顯示或記錄等儀器。

2/4/2023293·4·1

調(diào)頻測量電路調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：當(dāng)被測信號為0時(shí)，ΔC為零。當(dāng)被測信號不為0時(shí)，C產(chǎn)生變化ΔC，相應(yīng)引起Δf的變化為2/4/2023303·4·2調(diào)幅電路①交流電橋法

設(shè)C1=C2=C3=CX=C,則CX改變時(shí)：，電橋平衡2/4/202331②諧振法L,Cx構(gòu)成振蕩電路。2/4/202332

3·4·3

運(yùn)算放大器式測量電路變極距型電容式傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關(guān)系，使電容式傳感器的應(yīng)用受到了一定的限制。采用比例運(yùn)算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。如下圖所示，反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容Ci，Ui為穩(wěn)定的工作電壓。由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運(yùn)算關(guān)系為輸出電壓與電容傳感器的間隙成線性關(guān)系。

2/4/2023333.4.4

二極管雙T形交流電橋二極管雙T形交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供了幅值為U的對稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。2/4/202334

二極管雙T形交流電橋2/4/202335當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí)，C1=C2。其電路工作原理如下：當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖（b）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2通過電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I2

。根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。2/4/202336若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I2,此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)平均值為式中,f為電源頻率。2/4/202337可見，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源頻率為1.3MHz，電源電壓U=46V時(shí)，電容在-7~7pF變化，可以在1MΩ負(fù)載上得到-5~5V的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)U幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí)，測量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，約為1~100kΩ。輸出信號的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對于1kΩ的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20μs左右，故可用來測量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。2/4/2023383·5

電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅，尤其適合測量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。還可以用來測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。當(dāng)測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時(shí)被測物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。2/4/202339差分電容壓力傳感器：差分式電容測壓傳感器由兩個(gè)相同的可變電容組成。在被測壓力的作用下，一個(gè)電容的電容量增大,而另一個(gè)則相應(yīng)減小。差分式的電容傳感器比單極式的電容傳感器靈敏度高、線性好。但差分式測壓傳感器加工較困難，不易實(shí)現(xiàn)對被測氣體或液體的密封，因此這種結(jié)構(gòu)的傳感器不宜于工作在含腐蝕或其他雜質(zhì)的流體中。3·5

電容式傳感器的應(yīng)用舉例2/4/202340差分電容壓力傳感器圖中所示膜片為動(dòng)電極，兩個(gè)在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構(gòu)成差動(dòng)電容器。當(dāng)被測壓力或壓力差作用于膜片并產(chǎn)生位移時(shí)，所形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電流或電壓的變化。2/4/202341電容式加速度傳感器當(dāng)傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相