05第五章電容傳感器

1、第五章 電容傳感器,本章學(xué)習(xí)電容傳感器的原理、檢測(cè)電路及應(yīng)用，同時(shí)還涉及壓力、液位及流量的測(cè)量方法。,電容式傳感器：將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，分辨率高，可非接觸測(cè)量，適用于高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等條件下工作。 應(yīng)用：應(yīng)用于壓力、壓差、液位、振動(dòng)、位移、速度、加速度、成分含量等方面測(cè)量。,第一節(jié) 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：,其中：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； (=0r，其中0為真空介電常數(shù)，r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)) A兩平行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的距離。,當(dāng)

2、被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的A、d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(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(cè)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、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。,一、變極距型電容傳感器 當(dāng)傳感器的介電常數(shù)r和覆蓋面積A為常數(shù)，初始極間距為d0時(shí)，可知其初始電容量C0為：,若電容器極板間距離由初始值d0縮小d，電容量增大C，則有：,由上式可知，傳感器的輸出特性C=f(d)是非線性關(guān)系，而是如下圖所示雙曲線關(guān)系。 若d/d01時(shí)， ，上式可以簡(jiǎn)化為： 此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0

3、很小時(shí)，才有近似的線性輸出。,由上式可以看出，在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的d變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0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(zhì)(如上右圖所示)，此時(shí)電容C變?yōu)椋?g-云母的相對(duì)介電常數(shù),g=7； 0-空氣的介電常數(shù),0=1； d0-空氣隙厚度； dg-云母片的厚度。,二、變面積型電容式傳感器 變面積型電容傳感器原理示意如下左圖。被測(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。,云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣的僅為3kV/mm。因此有了云母

4、片，極板間起始距離可大大減小。式中的(dg/0g)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。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF之間，極板間距離在25200m的范圍內(nèi)，最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。,當(dāng)動(dòng)極板相當(dāng)于定極板沿 長(zhǎng)度方向平移x時(shí)，則電容變化量為：,式中C0=0r b0a0/d0為初始電容，電容相對(duì)變化量為：,很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x是線性關(guān)系。 電容式角位移傳感器原理示意如下右圖。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。,當(dāng)=0時(shí)，則：,式中：r-介質(zhì)相對(duì)介電常

5、數(shù)； d0-兩極板間距離； A0-兩極板間初始覆蓋面積。,當(dāng)0時(shí)，則：,從上式可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。,變面積型電容傳感器原理圖,電容式角位移傳感器原理圖,三、變介質(zhì)型電容式傳感器 下圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器，用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。 設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為1，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，則此時(shí)變換器電容值為：,式中：0空氣介電常數(shù)； C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值： 可見，此變換器的電容增量C正比于被測(cè)液位高度h。,變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)型式，可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木

6、材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。下圖是一種常用的結(jié)構(gòu)型式。圖中兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，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：,L0、b0-極板長(zhǎng)度和寬度； L-第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長(zhǎng)度。 若電介質(zhì)r1=1，當(dāng)L=0時(shí)，傳感器初始電容C0=0r1L0b0/d0。當(dāng)介質(zhì)r2進(jìn)入極間L后，引起電容的相對(duì)變化為：,可見，電容的變化與電介質(zhì)r2的移動(dòng)量L呈線性關(guān)系。,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),電容式傳感器的靈敏度及非線性,由以上分析可知，除變

7、極距型電容傳感器外，其它幾種形式傳感器的輸入量與輸出電容量之間的關(guān)系均為線性的。故只討論變極距型平板電容傳感器的靈敏度及非線性。 變極距型電容的相對(duì)變化量為：,當(dāng) 時(shí)，則上式可按級(jí)數(shù)展開，故得：,由上式可見，輸出電容的相對(duì)變化量C/C與輸入位移d之間呈非線性關(guān)系。當(dāng)d/d01 1時(shí)，可略去高次項(xiàng)， 得到近似的線性：,電容傳感器的靈敏度為：,說明了單位輸入位移所引起輸出電容相對(duì)變化的大小與d0呈反比關(guān)系。,如果考慮線性項(xiàng)與二次項(xiàng)，則：,由此可得出傳感器的相對(duì)非線性誤差為：,可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。,在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤

8、差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。下圖是變極距型差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板向上位移d時(shí)，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d，則:,差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu),電容值總的變化量為：,在d/d01時(shí),則按級(jí)數(shù)展開:,電容值相對(duì)變化量為：,如果只考慮上式中線性項(xiàng)和三次項(xiàng)，則電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差L近似為：,比較變極間距單組結(jié)構(gòu)和差動(dòng)結(jié)構(gòu)可見，電容傳感器做成差動(dòng)式之后，靈敏度提高一倍，而且非線性誤差大大降低了。,略去高次項(xiàng)，則C/C0與d/d0式近似成如下線性關(guān)系：,1、橋式電路（略）,第二節(jié) 電容式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,2、雙T形交流電

9、橋電路 e是高頻電源， 它提供了幅值為U的對(duì)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為傳感器兩個(gè)差動(dòng)電容。,二極管雙T形交流電橋電路,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，其等效電路如右圖所示；在隨后負(fù)半周時(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)：二極管VD2導(dǎo)通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如右圖所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，電容C2通過電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過RL的電流為I2。初始條件下，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。,當(dāng)

10、傳感器沒有輸入時(shí)，C1=C2。工作原理如下：,若傳感器輸入不為0，則C1C2，I1I2，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：,f為電源頻率。,當(dāng)RL已知時(shí)：,則上式可改寫為：,從上式可知，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形電橋電路中的電容C1和C2的差值有關(guān)。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(高于二極管死區(qū)電壓的10倍)，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，取值范圍約為10100k。輸出信號(hào)

11、的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。 當(dāng)電源電壓、電源頻率確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。例如：當(dāng)電源頻率為1.3MHz，電源電壓U =46V時(shí)，電容在-77pF變化，可以在1M負(fù)載上得到-55V的直流輸出電壓。對(duì)于1k的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20s左右，故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。,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？,調(diào)頻電路將電容式傳感器作為L(zhǎng)C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。,3、調(diào)頻電路,4、脈沖寬度調(diào)制電路 脈沖寬度調(diào)制電路如下圖所示。圖中CX1、CX2為差動(dòng)式電容傳感器，電阻R1=R2，A1、A2

12、為比較器。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于某一狀態(tài)，Q=1， =0，A點(diǎn)高電位通過R1對(duì)Cx1充電，時(shí)間常數(shù)為 =R1Cx1，直至F點(diǎn)電位高于參比電位Ur，比較器A1輸出正跳變信號(hào)。與此同時(shí)， 因 =0，電容器CX2上已充電流通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號(hào)激勵(lì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。使Q=0， =1，于是A點(diǎn)為低電位，CX1通過VD1迅速放電，而B點(diǎn)高電位通過R2對(duì)CX2充電，時(shí)間常數(shù)為 =R2CX2，直至G點(diǎn)電位高于參比電位Ur，比較器A2輸出正跳變信號(hào)，使觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，重復(fù)前述過程。,電路各點(diǎn)波形如右圖所示，當(dāng)差動(dòng)電容器的Cx1=Cx2時(shí)，其平均電壓值為零。當(dāng)差動(dòng)電容Cx1Cx2，Cx1Cx2時(shí)，則1

13、=R1Cx12=R2Cx2。由于充放電時(shí)間常數(shù)的變化，使電路中各點(diǎn)電壓波形產(chǎn)生相應(yīng)改變。如圖所示，此時(shí)uA、uB脈沖寬度不再相等，一個(gè)周期（T1+T2）時(shí)間內(nèi)其平均電壓值不為零。此uAB電壓經(jīng)低通濾波器濾波后，可獲得輸出：,式中：U1-觸發(fā)器輸出高電平； T1、T2-C1、C2充放電至Ur所需時(shí)間。,由電路知識(shí)可知:,把平行板電容的公式代入上式，在變極板距離的情況下可得：,將T1、T2代入上式得：,式中：d1、d2分別為CX1、C2X極板間距離。,同樣，在變面積電容傳感器中，則有：,由此可見，差動(dòng)脈寬調(diào)制電路能適用于變極板距離以及變面積式差動(dòng)式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過低通

14、放大器就有較大的直流輸出，且調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒有影響。,當(dāng)差動(dòng)電容CX1=CX2=C0, 即d1=d2=d0時(shí)，UAB=0；若CX1CX2，設(shè)CX1CX2，即d1=d0-d，d2=d0+d, 則：,如果傳感器是一只平板電容，則Cx=S/d，代入上式，可得：,第三節(jié) 電容式傳感器的應(yīng)用,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(cè)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(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。,一、電容式液位計(jì),聚四氟乙烯外套,液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給

15、出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。,設(shè)定按鈕,智能液位限位傳感器,智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。,超限燈,正常工作指示燈,電源指示燈,二、硅微加工加速度傳感器,圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度(振動(dòng))，也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.75.25V，加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓，也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。,微加工三軸加速度傳感器技術(shù)

16、指標(biāo) 靈敏度：500mV/g； 量程：10g； 頻率范圍：0.5-2000Hz； 裝諧振點(diǎn)：8kHz； 分辨力：0.00004g； 重量：200g； 安裝螺紋：M5mm； 線性誤差：1%。,硅微加工加速度傳感器原理,1-加速度測(cè)試單元 2-信號(hào)處理電路 3-襯底 4-底層多晶硅(下電極) 5-多晶硅懸臂梁 6-頂層多晶硅(上電極),利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C 1、C 2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。 當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C 1、C 2

17、呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將C 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g 以上。 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就構(gòu)成測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。,加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用,加速度傳感器裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí), 微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。,傳感器安裝位置,利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn) 延時(shí)起爆的鉆地炸彈,

18、三、濕敏電容,利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極。當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí)，吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣，使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加(水的相對(duì)介電常數(shù)為80、空氣的相對(duì)介電常數(shù)為2)，所以電容量增大。,吸水高分子薄膜,濕敏電容傳感器的安裝及使用,在野外的使用,帶報(bào)警器的家庭使用型,多孔性氧化鋁濕敏電容傳感器外形,機(jī)械式油量表 在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。,四、電容式油量表,電容式油量表 當(dāng)油箱中注滿油時(shí)，液位上升，指針停留在轉(zhuǎn)角為m處。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，電容傳感器的電容量Cx減小，電

19、橋失去平衡，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)(示值減小)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng)。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停在新的位置(x 處)。,該油量表屬于開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)？,五、電容式接近開關(guān),被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體(例如飼料、人體等) ；可以是接地的，也可以是不接地的。調(diào)節(jié)接近開關(guān)尾部的靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以根據(jù)被測(cè)物不同來(lái)改變動(dòng)作距離。,齊平式,非齊平式,非齊平式安裝時(shí)傳感器高于安裝支架，易損壞。,遠(yuǎn)距離式(大量程),全密封防水式,電容式接近開關(guān)在液位測(cè)量控制中的使用,電容接近開關(guān)的規(guī)格,電容式接近開關(guān)在 液位物位測(cè)量

20、控制中的使用,電容式接近開關(guān)在物位測(cè)量控制中的使用演示,不同材料的非金屬檢測(cè)物對(duì)電容式接近開關(guān)動(dòng)作距離的影響,除此之外，工程界長(zhǎng)期使用許多不同的壓力計(jì)量單位。如工程大氣壓、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱；氣象學(xué)中還用巴和托為壓力單位。,第四節(jié) 壓力和流量的測(cè)量,一、壓力的基本概念,壓力的國(guó)際單位為帕斯卡,簡(jiǎn)稱帕(Pa)。,壓力單位轉(zhuǎn)換對(duì)照表,二、電容式差壓變送器,1-高壓側(cè)進(jìn)氣口 2-低壓側(cè)進(jìn)氣口 3-過濾片 4-空腔 5柔性不銹鋼波紋隔離膜片 6-導(dǎo)壓硅油 7-凹形玻璃圓片 8-鍍金凹形電極 9-彈性平膜片 10-腔 11鋁合金外殼 12限位波紋膜 13過壓保護(hù)懸浮波紋膜片 14公共參考端,電容式差壓

21、變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu),各種電容式差壓變送器外形,法蘭,施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：,三、利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位,P = g h,差壓變送器,體積流量qV=Av，單位為m3/h或L/s； 質(zhì)量流量qm=Av，單位為t/h或kg/s。,例：設(shè)測(cè)得流速v=10m/s，圓管道的直徑r=1m，則截面積A=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。,四、流量的基本概念,測(cè)量流量的方法很多，有流速法、容積法、質(zhì)量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、渦輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節(jié)流式等。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制造的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量系數(shù)計(jì)算公式是相當(dāng)完備的，所以它是一種可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化較高的流量傳感器，所以在工業(yè)中大量使用差壓式流量計(jì)。,五、節(jié)流式流量計(jì)及電容差壓變送器在流量測(cè)量中的應(yīng)用,所謂節(jié)流裝置，就是在管道中段設(shè)置一個(gè)流通面積比管道狹窄的孔板、噴嘴、文丘里管，使流體經(jīng)過該節(jié)流裝置時(shí)，流束局部收縮，流速提高，壓強(qiáng)減小。 節(jié)流式流量計(jì)的缺點(diǎn)是流體通過節(jié)流裝置后，會(huì)產(chǎn)生不可逆的壓力損失。另外，當(dāng)流體的溫度t、壓力p、變化時(shí)，流體的密度將隨之改變。所以必須進(jìn)行溫度、壓力修正。,一、差壓節(jié)流式流量計(jì),孔板節(jié)流裝置（取壓管及內(nèi)部的節(jié)流孔板）,流體通過節(jié)流孔板時(shí)，流速加快，