電容式傳感器

1、第三章 電容式傳感器 電容測(cè)量技術(shù)近幾年來(lái)有了很大進(jìn)展，它不但廣泛用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測(cè)量，而且，還逐步擴(kuò)大應(yīng)用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測(cè)量。由于電容式傳感器具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)：如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，分辨率高，可非接觸測(cè)量等。這些優(yōu)點(diǎn)，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是集成電路的出現(xiàn)，將得到進(jìn)一步的體現(xiàn)。而它存在的分布電容、非線性等缺點(diǎn)又將不斷地得到克服，因此電容式傳感器在非電測(cè)量和自動(dòng)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。第一節(jié) 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)一、基本工作原理 電容式傳感器是一種具有可變參數(shù)的電容器。多數(shù)場(chǎng)合下，電容是由兩個(gè)金屬平行板組成并且以空氣為介質(zhì)，

2、如圖31所示。由兩個(gè)平行板組成的電容器的電容量為（31）式中電容極板介質(zhì)的介電常數(shù)。兩平行板所覆蓋面積；兩平行板之間的距離；電容量當(dāng)被測(cè)參數(shù)使得式(31)中的、和發(fā)生變化時(shí)，電容量也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此。電容量變化的大小與被測(cè)參數(shù)的大小成比例。在實(shí)際使用中，電容式傳感器常以改變平行板間距來(lái)進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)檫@樣獲得的測(cè)量靈敏度高于改變其他參數(shù)的電容傳感器的靈敏度。改變平行板間距的傳感器可以測(cè)量微米數(shù)量級(jí)的位移，而改變面積的傳感器只適用于測(cè)量厘米數(shù)量級(jí)的位移。二、變極距型電容式傳感器 由式(31)可知，電容量c與極板距離d不

3、是線性關(guān)系,而是如圖32所示的雙曲線關(guān)系。若電容器極板距離由初始值do縮小，極板距離分別為do和do-，其電容量分別為C0和C1，即 (32)(33)當(dāng)AdJu時(shí)，1菩*1，則式(33)可以簡(jiǎn)化為一W一一這時(shí)c1與AJ近似呈線性關(guān)系，所以改變極板距離的電容式傳感器注注是設(shè)計(jì)成Ad在極小的范圍內(nèi)變化。 另外，由圖32可以看出，當(dāng)眾。較小時(shí)，對(duì)于同樣的AJ變化所引起的電容變化量Ac可以增大，從而使傳感器的靈敏度提高；但JI過小時(shí)，容易引起電容器擊穿。改善擊穿條件的辦法是在極板間放置云母片，如圖33所示。此時(shí)電容c變?yōu)?ci?云母的相對(duì)介電系數(shù)，午空氣的介電系數(shù)，s。15云母片的厚度；空氣朗厚度。云

4、母的相對(duì)介電系數(shù)為空氣的7倍，其擊穿電壓不小于103kvmm、而空氣的擊穿電壓僅為3kvmm。即使厚度為o01mm e6云母片它的擊穿電壓也不小于10kvmm。因此有廠云母片，極板之間的起始距離可以大大減小。同時(shí)式(35)分母中的：項(xiàng)是恒定值它能使電容式傳感器的輸出特性的線性度得到改善，只要云母片厚度選取得當(dāng)，就能獲得較燈的線性關(guān)系。 一放電容式傳感器的起始電容在20一30pF之間，極板距離在25200Pm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)該小于間距的110。 在實(shí)際應(yīng)用中v為廠提高傳感器的靈敏度和克服某些外界因素(例如電源電壓、環(huán)境溫度等)對(duì)測(cè)量的影響，常常把傳感器做成差動(dòng)的形式，其原理如圖34所示。當(dāng)動(dòng)

5、極板移動(dòng)后cL和”z成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量增大，而另一個(gè)電容量則相應(yīng)減小，這樣可以消除外界因素所造成的測(cè)量誤差。 三、變極板面積型電容式傳感器 國(guó)3；是一只電容式角位移傳感器的原理圖遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移6時(shí)當(dāng)9o時(shí)，則式中 el介電常數(shù)。當(dāng)6760時(shí)，則圖36為圓柱形電容式位移傳感器。在初始的位置(即“o)時(shí)此時(shí)電容量為 co材式中J、從和Dl的單位為cm，c。的單位為pF。 當(dāng)動(dòng)極板發(fā)生位移“后，其電容量為 cc。一C于 (3t3)即(i d基本上成線性關(guān)系。采用圓柱形電容器的原因主要是考慮到動(dòng)極板稍作徑向移動(dòng)時(shí)、不影響電容器的輸出特性。 四

6、、變介質(zhì)型電容式傳惑器 圖37為一種改變工作介質(zhì)的電容式傳感器。dp“J? J1 i十一 62 e1c56(Zd)扁C6d下上下十6(JM)了音 生45l glt；式中6一極板寬度。 設(shè)在電極小無(wú)i介質(zhì)時(shí)的電容量為co c9十認(rèn)于JJ 太十左式(313)表明電容量c與位移d成線性關(guān)系。 五、電容式位移傳團(tuán)器的結(jié)構(gòu)形式電容式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)形式，按照將機(jī)械位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葑兓幕驹?，通常把它們分為面積變化型、極距變化型和介質(zhì)變化型三類。這三種類型又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種。每一種又依據(jù)傳感器的形狀分成千板型和圓筒型兩種。電容式傳感器也還有其他的形狀，但一般很少見。注意，圓筒式傳

7、感器不能用作改變極距的位移傳感器。 般來(lái)說，差動(dòng)式要比單組式的傳感器好。差動(dòng)式傳感器不但靈敏度高而且線性范圍大，并具有較高的穩(wěn)定性。 絕大多數(shù)電容式傳感器可制成一極多板的形式。幾層重疊板組成的多片型電容傳感器具省類似的單片電容器的(d一1)倍電容量。多片型相當(dāng)于一個(gè)大面積的單片電容傳感器，但是它能縮小尺寸。 六、電容式傳感器的輸出特性 式(34)、(37)、(39)、(313)給出了單組式傳感器的基本設(shè)計(jì)公式*差動(dòng)式電容可以根據(jù)兩個(gè)獨(dú)立的、在一定位移范圍內(nèi)的單組電容cI和c2來(lái)計(jì)算。對(duì)于經(jīng)常采用的、改變極距型的傳感器，其輸出特性可如下求得： 差動(dòng)電容傳感器的結(jié)構(gòu)如圖34所示其輸出特性曲線如圖3

8、8所示。在零點(diǎn)位置k設(shè)置一個(gè)可動(dòng)的接地小心電極，它離兩塊置一個(gè)可動(dòng)的接地小心電極，它離兩塊極板的距離均為d。當(dāng)中心電極在機(jī)械位移的作用廠發(fā)生位移AJ時(shí)，則傳感器電容量分別為l刁JL 1 4罷1上兩式可按級(jí)數(shù)展開，得cicDLll罷l(安1t(案)lc2e1甕l(罷)”(甕J“fc242等t 2儈)t 箕z等r1略去高次項(xiàng)測(cè)甕與笑近似成線性關(guān)系： 芒、2等此式可表示為圖38的曲線。 差動(dòng)電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差r近似為然而，非差動(dòng)式電容傳感器的非線性誤差可由如下分析知道，以式(33) cco上面笑笑(1琶罷、t笑t電容傳感器的非線性誤差為AC顯然，差動(dòng)式傳感器的非線性誤差r比單一電容傳感器的

9、非線性誤差rI大大地降低。 當(dāng)與適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路配合后，它的輸出待性在關(guān)土33的范圍內(nèi)，偏離直線的誤差不超過1 電容式傳感器的靈敏度定義為電容變化與所引起該變化的可動(dòng)部件的機(jī)械位移變化之比。乎板型改變面積的線位移傳感器的靈敏度為 AC 6 萬(wàn)Z式中6為極扳寬度(cm)，和d的意義及單位同式(31)。 平板型改變極距的線位移傳感器的靈敏度為 A c4 面萬(wàn) 顯然改變極距的傳感器能夠用減少極距4來(lái)增加靈敏度平度和極距非常小時(shí)的擊穿電壓所限制，因此極距眾不能無(wú)窮平板型差動(dòng)電容傳感器的靈敏度為 蓋電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路可以用圖39所示電路表示。圖中考慮了電容器的損耗和電感效應(yīng)，RP

10、為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板問的泄漏電阻和介質(zhì)損耗。這些損耗在低頻時(shí)影響較大，隨著工作頻率增高，容抗減小，其影響就減弱。R；代表串聯(lián)損耗，即引線電阻，電容器支架和極板的電阻。電感L由電容器本身的電感和外部引線電感組成。 由等效電路可知，等效電路有一個(gè)諧振領(lǐng)率，通常為幾十兆赫，當(dāng)工作頻率等于或接近諧振頻率時(shí)，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，應(yīng)該選擇低于諧振頻率的工作頻率，否則電容傳感器不能正常工作。第四節(jié) 電容式傳感器應(yīng)用舉例() 電容傳感器由于檢測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以不用有機(jī)材料和磁性材料構(gòu)成所以它能經(jīng)受相當(dāng)大的溫度變化及各種輻射作用，因而可以在溫度變化大、有各種輻射等惡劣環(huán)境下工作。電容傳感器

11、可以制成非接觸式測(cè)量器，響應(yīng)時(shí)間短，適合于在線和動(dòng)態(tài)測(cè)量。電容傳感器具有高靈敏度采用現(xiàn)代相密測(cè)量方法，已能測(cè)量電容值的10“的變化量。又因?yàn)槠錁O間的相互吸力十分微小，從而保證了比較高的2lI量招度。因此，電容傳感器近年來(lái)甚被重視，它廣泛地被應(yīng)用在厚度、位移、壓力、速度、濃度、物位等物理量測(cè)量中。下面舉幾例來(lái)說明電容傳感器的應(yīng)用情況。 一、電容傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用電容式測(cè)厚僅 電容式測(cè)厚儀的關(guān)鍵部件之一就是電容測(cè)厚傳感器。在板材軋制過程中由它監(jiān)油金屬板材的厚度變化情況，該厚度量的變化現(xiàn)階段常采用獨(dú)立雙電容測(cè)厚傳感器來(lái)檢測(cè)。它能克服兩電容并聯(lián)或串聯(lián)式傳感器的缺點(diǎn)。應(yīng)用獨(dú)立雙電容傳感器，通過

12、對(duì)被測(cè)板材在同一位置、同一時(shí)刻實(shí)時(shí)取樣能使其測(cè)量精度大大提高。獨(dú)立雙電容測(cè)厚傳感器一殷分為運(yùn)算型電容傳感器和頻率變換型電容傳感器兩種。前者對(duì)o51omm厚度的薄鋼板進(jìn)行測(cè)量其測(cè)量誤差小于20Pm；后者其測(cè)量誤差小于o3Pm o當(dāng)被軋制板材的厚度相對(duì)于要求值發(fā)生變化時(shí)，則c變化。若c。增大，表示板材厚度變厚；反之，板材變薄。此時(shí)電橋輸出信號(hào)也將發(fā)生變化，變化量經(jīng)福合電容c輸出給運(yùn)算放大器放大整流和濾波；再經(jīng)差動(dòng)放大器放大后，一方面由顯示儀表讀出該時(shí)的板材厚度，另一方面通過反饋回路將偏差信號(hào)傳送給壓力調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)軋輥與板材間的距離，經(jīng)過不斷調(diào)節(jié)，使板材厚度控制在一定誤差范圍內(nèi)。 2頻率變換型電客

13、測(cè)厚傳怠器將被測(cè)電容c1，c：作為各變換振蕩器的回路電容，振蕩器的其他參數(shù)為固定值電路如圖3I 9(6)所示。圖中co為輻合和寄生電容，振蕩頗率為 ；蘭； 2n人(C，十CD)因?yàn)樵O(shè)兩傳感器極板距離固定為Jo，若在同一時(shí)刻分別測(cè)很上、下極板與金屆板材上、下表面距離為士、，久。則被測(cè)金屆板材的厚度6眾。一(J，十J1。)。由此可見，振蕩頻率包含7電容傳感器納間距J的信息。各頻率值通過自取樣計(jì)數(shù)器(可采用16位快速同步計(jì)數(shù)器取樣)獲得數(shù)字量，然后由微機(jī)進(jìn)行函數(shù)處理，消除非線性頻率變換產(chǎn)生的誤差無(wú)需AD轉(zhuǎn)換，也無(wú)需用先進(jìn)的非線性變換，就可獲得誤差極小的板材厚度。因此、頻率變換型電容測(cè)厚系統(tǒng)得到廣泛使

14、用。 二、屯容傳感器在真空注油視疆油自動(dòng)控制中的應(yīng)用 真空注油機(jī)是x射線源生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其中的溢油量控制與x射線源的熱設(shè)計(jì)密切相關(guān)送油量過大，在x射線源連續(xù)工作時(shí)，可能因膨脹不足而引起絕緣油滲漏；溢油量過小，環(huán)境溫度較低時(shí)，膨脹鼓可能因收縮雖不足而使源內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓使氣體滲入。原來(lái)的注油系統(tǒng)，溢油量控制均采用人工觀察，手動(dòng)控制這顯然不符合現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。1994年，重新設(shè)計(jì)了真空注油機(jī)溢油系統(tǒng)，采用了oMRON公司生產(chǎn)的一種新型液位控制傳感器一一只2Kc型靜電電容式傳感器，實(shí)現(xiàn)了溢油量的自動(dòng)控制。 E2Kc型靜電電容式傳感器按其供電電壓可分為直流型和交流型按其輸出方式又可分成NPN開關(guān)輸出型和

15、PNP開關(guān)輸出型兩種。現(xiàn)以直流NPN開關(guān)輸出型置2Kc25MEl為例，介紹其工作原理及應(yīng)用。 E2xc25MEl的內(nèi)部電原理框圖及輸出信號(hào)示意見圖320* 該傳感器由高頻振蕩器和放大器組成。當(dāng)無(wú)物體接近傳感器作用表面時(shí)，帶浮動(dòng)電極的高頻振蕩器不振蕩；當(dāng)有物體接近傳感器作用表面時(shí)，使浮動(dòng)電極產(chǎn)生的電場(chǎng)發(fā)生變化高頻振蕩器產(chǎn)生振蕩。振蕩器的振蕩和停振這兩個(gè)信號(hào)，由整形放大器轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，從而起到“開”、”關(guān)”的控制作用。 不動(dòng)作時(shí)，圖中白黑引線間輸出高電乎yA載無(wú)電流流通負(fù)載(繼電器或接觸器等)將不動(dòng)作。 真空注油攫油自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖321所示。其溢油自動(dòng)控制工作過程如下t 首先，調(diào)節(jié)傳感器的初始

16、工作狀態(tài)。調(diào)整過程為：在玻璃瓶空時(shí)，調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度使它處于從“OFF”到“ON”的臨界點(diǎn)、記下電位器的位置；然后在瓶中油面接近傳感器中心線狀態(tài)下、使它處于從“ON”到“OFF”的臨界點(diǎn)上，記下電位器的位置；接著將電位器調(diào)節(jié)到兩位置的中間位置上，此時(shí)傳感器加電便處于工作狀態(tài)。 注油時(shí)，首光計(jì)算好待注油x射線源的所需油量并換算成高度A5然后將傳感器中心調(diào)節(jié)到高度略大于A處，并固定好、當(dāng)注面到溢面到達(dá)A高度時(shí)，傳感器將動(dòng)作，輸出高電平、使繼電器斷開；進(jìn)而控制放油電磁悶動(dòng)作，使之關(guān)斷，停止注泊。此時(shí)，傳感器同時(shí)驅(qū)動(dòng)峰鳴器和紅色指示燈片，給出盧光指示，提醒工作人員作進(jìn)一步處理。傳感器本身能提供最大為

17、200mA的驅(qū)動(dòng)電流這對(duì)一般負(fù)載(執(zhí)行器)已足夠L倘若不夠再加一級(jí)電流驅(qū)動(dòng)器，即可適應(yīng)使用。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，該傳感器用于送位控制的難點(diǎn)在于；環(huán)境溫度高；不能污染真空系統(tǒng)只能間接測(cè)量；周圍均是金屬物體，絕緣油的極性很?。回?fù)載于擾較大，為此在結(jié)構(gòu)和電路上均須精心設(shè)計(jì)。圖中的支撐桿只能采用非金屬或銘材，以減少對(duì)傳感器靈敏度的影響，巴油瓶采用壁厚15mm的玻璃瓶v傳感器表面應(yīng)緊貼因油瓶表面。 該類傳感器可以很方便地實(shí)現(xiàn)釣料控制、液位高度控制、接近物體檢測(cè)等因此，應(yīng)用廣三、電容式壓力傳感器 圖322示出了兩種電容式壓力傳感器。圖(d)為單只變極距型電容傳感器，用于測(cè)量流體或氣體的壓力。流體或氣體壓力作用

18、于彈性膜片(動(dòng)極片)，佼彈性膜片產(chǎn)生位移，位移導(dǎo)致電容量的變化，從而引起由該電容組成的振蕩器的振蕩頻率變化頻率信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)、編碼、傳輸?shù)斤@示部分即可指示壓力變化量。 圖(6)為一種小型差動(dòng)式電容壓力傳感器。它由金屬?gòu)椥阅てc鍍金凹型玻璃圖片組成。當(dāng)被測(cè)壓力J，通過過濾器進(jìn)入空腔時(shí)，由于彈性膜片兩側(cè)的壓力差，使彈性膜片凸向一例，產(chǎn)生位移，該位移改變兩個(gè)鍍金玻璃圖片與彈性膜片間的電容量。這種傳感器的靈敏度和分辨串都很高。其靈敏度取決于初始間隙d。，Jo越小，靈敏度越高。根據(jù)實(shí)驗(yàn)該傳感器可以測(cè)量oo75Pa的微小壓差。其動(dòng)態(tài)響應(yīng)顯然主要取決于彈性膜片的固有頻率。該傳感器配以脈沖寬度調(diào)制電路(圖315)

19、可以構(gòu)成壓力測(cè)量系統(tǒng)。四、高分子電容式濕度變送器 該儀器是利用高分子電容式濕敏傳感器測(cè)量濕度的。高分子薄膜式濕敏元件應(yīng)用的是平板電容器原理在絕緣基片上依次形成上電極、感濕腹、下電權(quán)。感濕膜是聚酰亞膚高分子聚合物，它吸收環(huán)境中的水分，使其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量變化達(dá)到測(cè)濕目的。其等效電路如圖323(d)所示。兩個(gè)平扳電容器串聯(lián)后的電容值為組成的。當(dāng)電容結(jié)構(gòu)確定后，其電容值與高分子膜的介電常數(shù)成正比，高分子膜的介電常數(shù)隨著其吸水量增加而增大而吸水量多少又取決于氣體濕度的大小，這樣就可確定在一定溫度下電容值與氣體中相對(duì)濕度的函數(shù)關(guān)系。本濕度計(jì)的測(cè)量范圍為oRH一100RH，輸出電壓為i1一

20、土5v。它由固定額率方波脈沖發(fā)生器、脈寬調(diào)制電路、濾波、放大電路等組成。 固定頻率方波脈沖電路產(chǎn)生定周期脈沖，觸發(fā)后續(xù)脈沖寬度調(diào)制電路，使脈寬八正比于濕度電容c”然后將輸出信號(hào)進(jìn)行濾波后，取出直流信號(hào)，再經(jīng)放大電路、調(diào)零電路和溫度補(bǔ)償電路，最后輸出一個(gè)與相對(duì)濕度相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。 框圖中固定頻率方波脈沖電路采用cMOs型555定時(shí)器與定值電容組成多諧振蕩器，產(chǎn)生固定頻率的脈沖方波。脈寬調(diào)制電路是由另一塊555定時(shí)器與濕度電容C，組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、構(gòu)成脈寬調(diào)制電路，使脈寬7；與濕敏電容Lh有如下關(guān)系；7x促c，(厭為常數(shù))。濾波為低通濾波電路，放大與調(diào)零由LM358運(yùn)算放大器組成，并用AD590運(yùn)算放大器作溫度補(bǔ)償這是因?yàn)樗木€性好、精度高與金屬類測(cè)溫電阻相比、它的抗?jié)穸扔绊懙哪芰Ω鼜?qiáng)、這樣確保廠溫度補(bǔ)償效果。 五、石英撓性伺服加