工學(xué)自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用電容式傳感器及其應(yīng)用

2024/11/61第4章電容式傳感器

本章學(xué)習(xí)電容式傳感器的工作原理、測量轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用。2024/11/62電容式傳感器定義：將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。應(yīng)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕度。2024/11/63§4.1

電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式2024/11/64A——極板相對(duì)覆蓋面；d

——極板間距離；εr——相對(duì)介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù)；ε0

＝8.854×10-12(F/m)ε

——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。ε=ε0εr

δSε一、工作原理

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：dA2024/11/65

請(qǐng)思考：上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？

兩平行板組成的平行板電容器，電容傳感器的基本理想公式為：2024/11/66

改變A、d、

三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。2024/11/671、變面積（A）式電容傳感器

圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱為定極板。

圖b是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板1的軸由被測物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移

度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。

圖c是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。2024/11/68

可見，增加極板寬度b，減小兩板間距d都可以提高傳感器的靈敏度。但d太小時(shí)，容易引起短路。此傳感器的靈敏度K可用下式求得對(duì)于圖a平板形位移電容傳感器，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后：C0——初始電容值靈敏度為常數(shù)線性關(guān)系2024/11/69變面積式電容傳感器的特性

變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。你能否畫出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線??2024/11/610當(dāng)動(dòng)極板受被測物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。2、變極距（d）式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖極板1為定極板極板2為動(dòng)極板2024/11/611電容量Cx與d不是線性關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)。

從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d0小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距d0較小時(shí)，它的測量范圍變大還是變??？由電容的表達(dá)式：2024/11/612

當(dāng)d0較小時(shí)，該種類型的傳感器靈敏度較高，微小的位移即可產(chǎn)生較大的電容變化量。實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點(diǎn)。故該類傳感器只適用于微米數(shù)量級(jí)的位移測量。結(jié)論：2024/11/6133、變介電常數(shù)（ε）式電容傳感器因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)2024/11/614

根據(jù)上表，分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。

請(qǐng)問：在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？2024/11/615根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測液面高度。下圖為電容液位計(jì)，同心圓柱狀極板，插入液體深度h，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器。根據(jù)：輸出電容C與液面高度h成線性關(guān)系。2024/11/616當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，因而電容量增大。反之當(dāng)液位下降，ε值減小，電容量也減小。所以，可通過兩電極間的電容量的變化來測量液位的高低。電容液位計(jì)的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值。2024/11/6174、差動(dòng)電容傳感器

在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成差動(dòng)形式。變極距式差動(dòng)電容器

旋轉(zhuǎn)形差動(dòng)電容器

圓柱形差動(dòng)電容器

2024/11/618如圖a)，中間的極板為動(dòng)極板，上下兩塊為定極板。當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)x距離后，一邊的間隙變?yōu)閐-x，而另一邊則為d+x。電容C1和C2成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量增加，而另一個(gè)電容量則相應(yīng)減小。將C1、C2接成差動(dòng)形式后，能使靈敏度提高一倍。請(qǐng)思考：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了哪些差動(dòng)形式？2024/11/619休息一下2024/11/620§4.2

電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

2024/11/621

轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將微小的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號(hào)。電容轉(zhuǎn)換電路有電橋電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋等。被測非電量電容變化電量電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路2024/11/622一、電橋電路將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂(另一臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)二次線圈。2024/11/623１、單臂接法的橋式測量電路（圖a）

電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電橋的四臂，CX為電容傳感器,交流電橋平衡時(shí)有：

C1／C2＝Cx／C3

此時(shí)，

U0＝０當(dāng)Cx改變時(shí)，U0≠0，有輸出電壓。

2024/11/624２、差動(dòng)接法的橋式測量電路（圖b）

在圖b)的電路中，接有差動(dòng)電容傳感器，其空載輸出電壓為：由于電橋輸出的電壓與電源電壓成比例，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。＋＋2024/11/625二、調(diào)頻電路

調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應(yīng)的變化。2024/11/626當(dāng)被測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。

調(diào)頻電路的靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。調(diào)頻振蕩器的頻率為：

Ｌ—振蕩回路的電感Ｃ—振蕩回路總電容2024/11/627請(qǐng)思考：電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器的調(diào)頻電路有何區(qū)別？式中哪些量是變量？2024/11/628

將電容器接入開環(huán)放大倍數(shù)為Ａ的運(yùn)算放大電路中，作為電路的反饋組件。三、運(yùn)算放大器式電路

圖中U是交流電源電壓，C是固定電容，Cx是傳感器電容，Uo是輸出信號(hào)電壓。傳感器電容2024/11/629由理想放大器的工作原理可得：結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性。2024/11/630四、二極管T型網(wǎng)絡(luò)當(dāng)電源處于正半周時(shí):VD2導(dǎo)通，VD1截止，電容Cl經(jīng)VD2迅速充電至電壓E，電源經(jīng)R1向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C2經(jīng)R2和RL放電，流經(jīng)RL的電流為這兩電流之和。這種雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)是脈沖式測量電路的一種形式，其基本原理是利用電容的充放電。2024/11/631

如果二極管VD1和VD2具有相同的特性，且C1＝C2，R1＝R2，則兩電流大小相等，方向相反，即流過RL的平均電流為零。那么C1、C2的任何變化都將使RL上有電流輸出。2024/11/632休息一下2024/11/633§4.3電容式傳感器的應(yīng)用

2024/11/634一、電容傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：１．結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，能在惡劣的環(huán)境條件下工作；２．本身發(fā)熱影響小，溫度穩(wěn)定性好；３．需要的作用能量??；解決輸入能量低的信號(hào)的測量。４．可獲得較大的相對(duì)變化量；５．動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；可用于測量高速變化的參數(shù)。６．可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)。缺點(diǎn)：１．輸入阻抗高，負(fù)載能力差；２．輸出特性非線性；３．寄生電容的影響。2024/11/635二、應(yīng)用實(shí)例電容器的容量受三個(gè)因素影響，即：極距x、相對(duì)面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個(gè)變量，電容量C就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個(gè)電參數(shù)來達(dá)到非電量電測的目的。

2024/11/6361．電容式應(yīng)變計(jì)在被測量的固定點(diǎn)上，裝兩個(gè)薄而低的拱弧，方形電極固定在弧的中央，兩個(gè)拱弧的曲率略有差別。當(dāng)兩固定點(diǎn)受壓時(shí)變換電容值將減?。O間距增大）。2024/11/6372．電容測厚儀

如果總電容量C作為交流電橋的一個(gè)臂，電容的變化將引起電橋的不平衡輸出，經(jīng)過放大、檢波、濾波，最后在儀表上顯示出帶材的厚度。把兩塊極板用導(dǎo)線連起來就成為一個(gè)極板，而帶材則是電容器的另一極板，其總電容C＝C1+C22024/11/6383．電容式荷重傳感器

當(dāng)鋼塊端面承受重量F時(shí)，圓孔將產(chǎn)生形變，從而使每個(gè)電容器的極板間距變小，電容量增大。電容量的增值正比于被測載荷F。2024/11/6394．濕度傳感器

當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度改變時(shí)，高分子薄膜通過網(wǎng)狀下電極吸收或放出水分，使高分子薄膜的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量變化。2024/11/640濕敏電容外形吸水高分子薄膜2024/11/641濕敏電容模塊及傳感器外形2024/11/6425