第3章電容式傳感器

1、3.1工作原理、結構及特性工作原理、結構及特性3.2電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路3.3 實際中存在的問題及其解決方法實際中存在的問題及其解決方法 3. 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 第第3章章 電容式傳感器電容式傳感器返回主目錄第第3章章 電容式傳感器電容式傳感器1、概念 將被測非電量（位移量）的變化轉換為電容量變化的傳感器。2、特點 結構簡單、靈敏度高、適應性強等。3、測量范圍 廣泛應用于力、壓力、差壓、位移、液位、振動、加速度等非電量測量 3.1 工作原理、結構及特性工作原理、結構及特性 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, 其電容

2、量為dSc式中: 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。 （3-1） 當被測參數(shù)變化使得式（3 - 1）中的S、d或發(fā)生變化時, 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變, 而僅改變其中一個參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化, 通過測量電路就可轉換為電量輸出。 因此, 電容式傳感器可分為變極距型（變間隙型）、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。一、變面積型一、變面積型 電容兩個極板中，一個固定不動，稱為定極板；另一個可移動，稱為動極板。 根據(jù)動極板相對定極板的移動情況，分為角位移式和直線

3、位移式。 dSc1、角位移式 當動極板有一個角位移時, 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。00dSC 101 0 00CdSdSCCC0CC 當0 時0CCK當=0 時可見輸出輸入為線性關系。角位移測量角位移測量2、直線位移型 式中C0=ab/d0為初始電容。電容相對變化量為 1 000axCdxabCCCxaxCoC當動極板移動x后0dbxCK靈敏度為可見輸出輸入為線性關系。二、二、 變介質(zhì)型電容式傳感器變介質(zhì)型電容式傳感器1、圓筒型結構 沒有液體時，由大學物理可知，圓筒型電容器的電容量為rRhCln20當液位為x時 液位傳感器的等效電路rRxrRxhCCCxln

4、2ln)(221bxCxrRrRhrRxxhxx0ln)(2ln2ln)(2式中： C=C-C0=bx 可見, 此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。 rRbxln)(22、平板型結構 圖中兩平行電極固定不動, 極距為d0, 相對介電常數(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02000200021)(0)(11dLbCdLLLbcccrrrr 式中: L0, b0極板長度和寬度; L第二種介質(zhì)進入極板間的長度。若電介質(zhì)r1=1, 當L=0時, 傳感器初始電容C0=0r1L0b0/d0。 當介質(zhì)r2進入極間L后, 引起電容的相對變化為0000

5、) 1(2LLcccccr 可見, 電容的變化與電介質(zhì)r2的移動量L呈線性關系。 因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。就不同。幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)三、三、 變極距型變極距型（變間隙型）（變間隙型）電容傳感器電容傳感器 1、原理 變極距型電容式傳感器的原理如圖所示。當傳感器的r和S為常數(shù), 初始極距為d0時, 其初始電容量C0為00dSc 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 C1=C0+C=0000011/d

6、dCdddSddS 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 0000011/ddCdddSddS 可見, 傳感器的輸出特性C =f(d)不是線性關系, 而是如圖所示雙曲線關系。此時C1與d近似呈線性關系, 所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時, 才有近似的線性輸出。 0001ddddCC00ddCC0200dSdCdCK0200dSdCdCK00011ddddCC 另外另外, 由式可以看出由式可以看出, 在在d0較小時較小時, 對對于同樣的于同樣的d變化所引起的變化所引起的C可以增大可以增大, 從從而使傳感器靈敏度提高。但而使傳感器靈敏度提高。但d0過小過小, 容

7、易容易引起電容器擊穿或短路。為此引起電容器擊穿或短路。為此, 極板間可極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì)。作介質(zhì)。2、變極距型平板電容式傳感器的靈敏度及非線性、變極距型平板電容式傳感器的靈敏度及非線性由泰勒級數(shù)：由泰勒級數(shù)：1/(1-x)=1+x+x2+xn+(-1x1)當當 1/0dd時，則上式可按級數(shù)展開，故得時，則上式可按級數(shù)展開，故得 由式可見由式可見, 輸出電容的相對變化量輸出電容的相對變化量C/C與輸入位移與輸入位移d之之間呈非線性關系。當間呈非線性關系。當|d/d0|1 時，可略去高次項時，可略去高次項, 得到近似得到近似的

8、線性：的線性： 電容傳感器的靈敏度為電容傳感器的靈敏度為001ddCCK 它說明了它說明了變極距型電容傳感器靈敏度的大小與變極距型電容傳感器靈敏度的大小與d0呈反比關呈反比關系。系。 00ddCC 30200001ddddddddCC 由式可以看出由式可以看出: 要提高靈敏度要提高靈敏度, 應減小起始間隙應減小起始間隙d0, 但非但非線性誤差卻隨著線性誤差卻隨著d0的減小而增大。的減小而增大。 30200001ddddddddCC001ddCCK 在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結構。大都采用差動式結構。三、差動結構電容

9、傳感器三、差動結構電容傳感器1、變極距型差動式電容傳感器、變極距型差動式電容傳感器 變極距型差動平板式電容變極距型差動平板式電容傳感器結構示意圖。傳感器結構示意圖。 在差動式平板電容器中，當動極板上移在差動式平板電容器中，當動極板上移d時，電容器時，電容器C1的的間隙間隙d1變?yōu)樽優(yōu)閐0-d，電容器，電容器C2的間隙的間隙d2變?yōu)樽優(yōu)閐0+d, 則則 00000211110ddCdddSddSCCC00000111110ddCdddSddSCCC在在d/d01時時, 按級數(shù)展開得按級數(shù)展開得 3020002302000111ddddddCCddddddCC電容值總的變化量為電容值總的變化量為

10、50300021221ddddddCCCCCC由泰勒級數(shù)：由泰勒級數(shù)：1/(1+x)=1-x+x2+xn+(-1x C2時時, 則則1 = R1 C12 = R2 C2 。由于充放。由于充放電時間常數(shù)變化電時間常數(shù)變化, 使使電路中各點電壓波電路中各點電壓波形產(chǎn)生相應改變。形產(chǎn)生相應改變。輸出電壓不為零。輸出電壓不為零。 如圖如圖 3 - 13（b）所示）所示, 此時此時uA、uB脈沖寬度不再相等脈沖寬度不再相等, 一一個周期（個周期（T1+T2）時間內(nèi)其平均電壓值不為零。此）時間內(nèi)其平均電壓值不為零。此uAB電壓電壓經(jīng)低通濾波器濾波后經(jīng)低通濾波器濾波后, 可獲得輸出可獲得輸出21211212

11、111)(TTTTUTTTUTUuuuBAAB由一階電路三要素法：由一階電路三要素法：)()()0()(ffftfet式中式中: U1觸發(fā)器輸出高電平觸發(fā)器輸出高電平;T1、T2C1、C2充放電至充放電至UF所需時間。所需時間。 由三要素法可得由三要素法可得: 將將T1、T2代入式代入式21211111)(lnTTTTUCRTrUUUCRT22222ln12121UCCCCuAB21211)(TTTTUuAB可得可得 把平行板電容的公式代入上式把平行板電容的公式代入上式, 在變極板距離的情況下可在變極板距離的情況下可得得12112UdddduAB式中式中d1、d2分別為分別為C1、C2極板間距

12、離。極板間距離。 當差動電容當差動電容C1 = C2 = C0, 即即d1 = d2 = d0時時, uAB = 0; 若若C1 C2, 設設C1 C2, 即即d1 =d0 -d, d2 = d0+d, 則則1UdduAB1UAAuAB同樣同樣, 在變面積電容傳感器中在變面積電容傳感器中, 則有則有12121UCCCCuAB 由此可見由此可見, 差動脈寬調(diào)制電路能適用于變極板差動脈寬調(diào)制電路能適用于變極板距離以及變面積式差動式電容傳感器距離以及變面積式差動式電容傳感器, 并并具有線性具有線性特性特性, 且且轉換效率高轉換效率高, 經(jīng)過低通放大器就有較大的直經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出流輸出

13、, 且且調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。 三、調(diào)頻電路三、調(diào)頻電路1.原理原理 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把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分分, 當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。變化。雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加必須加入鑒頻器入鑒頻器，將頻率的變化轉換為電壓振幅的變化將頻率的變化轉換

14、為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。調(diào)頻式測量電路原理框圖可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。調(diào)頻式測量電路原理框圖如圖所示。如圖所示。 圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為 LCf21式中： L振蕩回路的電感； C振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx，其中C1為振蕩回路固有電容, C2為傳感器引線分布電容, Cx=C0C為傳感器的電容。 LCf21特點： 調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度， 可以測量高至0.01m級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量， 并與計算機通訊，抗干擾能力強， 可以發(fā)送、 接收， 以達到遙測遙控的目的。

15、3.3 實際中存在的問題及其解決方法實際中存在的問題及其解決方法一、溫度對結構尺寸的影響；一、溫度對結構尺寸的影響；二、電容電場的邊緣效應；二、電容電場的邊緣效應；三、寄生電容的影響。三、寄生電容的影響。3.4 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 電容器的容量受三個因素影響，即：極距電容器的容量受三個因素影響，即：極距d、相對面、相對面積積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。固定其中兩個變。固定其中兩個變 量，電容量量，電容量C 就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測轉換成極距或者面積、

16、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達到非電量電測的目的。量電容量這個電參數(shù)來達到非電量電測的目的。 不但廣泛應用于不但廣泛應用于精確測量位移、厚度、角度、振動精確測量位移、厚度、角度、振動等機械量等機械量，還可以進行，還可以進行力、壓力、差壓、液位、流量、力、壓力、差壓、液位、流量、加速度等非電量測量加速度等非電量測量。一、壓力測量一、壓力測量高壓側高壓側進氣口進氣口低壓側低壓側進氣口進氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器電容式差壓變送器各種電容式差各種電容式差壓變送器外形壓變送器外形 電容式差壓變送器內(nèi)部結構電容式差壓變送器內(nèi)部結

17、構 1高壓側進氣口高壓側進氣口 2低壓側進氣口低壓側進氣口 3過濾片過濾片 4空腔空腔 5柔性不銹鋼波紋柔性不銹鋼波紋 隔離膜片隔離膜片 6導壓硅油導壓硅油 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9彈性平膜片彈性平膜片 10 腔腔特點： 適用于絕對壓力很高但差壓很小的場合，精度高、耐振動、耐沖擊、可靠性好；但工藝要求很高（感壓膜片的焊接）。XYB-1151電容式壓力電容式壓力/差壓變送器整機及零部件差壓變送器整機及零部件產(chǎn)品規(guī)格DP:0-0.125-1.5KPa ；GP3、 DP3:0-1.3-7.5KPa ；GP4、DP4:0-6.2-37.4KPa ；GP5、DP5:0

18、-31.1-186.8KPaGP6、DP6:0-117-690KPa； GP7、DP7:0-0.345-2.068KPaGP8、DP8:0-1.17-6.89MPa ；GP9:0-3.45-20.68MPa GP0:0-6.89-41.37MPa 精 度：0.5% 0.25% 靜 壓：.89MPa/13.79MPa/31.2MPa產(chǎn)品優(yōu)點產(chǎn)品優(yōu)點測量介質(zhì)：液體、氣體、蒸汽 測量范圍：160pa(F.S)-10Mpa(F.S) 測量精度：0.5%(F.S),0.25%(F.S)溫度范圍：放大器工作在-29-93敏感元件工作在-40-104壓力接口：1/2-14NPT,1/4-18NPT現(xiàn)場指示：

19、有指針式和液晶數(shù)字式壓力敏感元件為全密封電容式供電電壓：DC24V輸出信號：4-20mA正負遷移：最大負遷移為最小量程的600%最大正遷移為最小量程的500%主要市場主要市場電力、石油、化工、冶金等行業(yè)2、位移測量、位移測量探頭與被測金屬件表面形成的電容為dSCxS探頭端面積；d探頭與被測件表面的距離。3、厚度測量、厚度測量 總電容C等于兩種介質(zhì)分別組成的兩個電容C1與C2的串聯(lián)。即xdSxdxSxSxdSxSxdSCCCCCXXXXXXXX)(2121CBRR0C1C2C1L2L把角度信號轉化為標準模擬信號 測量范圍：05/0270度 非接觸式電容原理 精度：0.5% 扭力：0.001NCM

20、 輸出：01/5/20mA 420mA 2線制/3線制/4線制 根據(jù)現(xiàn)場狀況可選擇不同前軸后軸 零點和滿量程可以調(diào)節(jié) 供電：12230V AC/DC 廠商廠商: 德國GMC儀器儀表 4、角度測量：、角度測量：KINAX 3W2 角位變送器角位變送器 當傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時當傳感器殼體隨被測對象在垂直方向上作直線加速運動時, 質(zhì)量塊質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止在慣性空間中相對靜止, 而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)而兩個固定電極將相對質(zhì)量塊在垂直方向上產(chǎn)生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化生大小正比于被測加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)

21、生變化, 一一個增加個增加, 一個減小一個減小, 從而使從而使C1、 C2產(chǎn)生大小相等產(chǎn)生大小相等, 符號相反的增量符號相反的增量, 此增此增量正比于被測加速度。量正比于被測加速度。質(zhì)量塊（動極板）質(zhì)量塊（動極板）aC1C2m5、加速度測量、加速度測量 圖示為差動式電容圖示為差動式電容加速度傳感器結構圖。加速度傳感器結構圖。 它有兩個固定極板（與它有兩個固定極板（與殼體絕緣）殼體絕緣）, 中間有一用中間有一用彈簧片支撐的質(zhì)量塊彈簧片支撐的質(zhì)量塊, 此此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極磨平拋光后作為可動極板（與殼體電連接）。板（與殼體電連接）。汽車氣囊的保護作用汽車氣

22、囊的保護作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 。 當罐內(nèi)放入被測物料時, 由于被測物料介電常數(shù)的影響, 傳感器的電容量將發(fā)生變化, 電容量變化的大小與被測物料在罐內(nèi)高度有關, 且成比例變化。檢測出這種電容量的變化就可測定物料在罐內(nèi)的高度。 電容隨料位高度h變化的關系為：dDhkCln)(01式中: k比例常數(shù); 1被測物料的相對介電常數(shù); 0空氣的相對介電常數(shù); Dd檢測電路檢測電路測定電極測定電極儲罐儲罐0 01 1h 6、 電容式料位傳感器電容式料位傳感器 D儲罐的內(nèi)徑; d測定電極的直徑; h被

23、測物料的高度。 可見, 兩種介質(zhì)常數(shù)差別越大, 極徑D與d相差愈小, 傳感器靈敏度就愈高。 dDhkCln)(01 棒狀電極（金屬管）外棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。的電容變大。 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套液位計液位計 它是利用電磁感應現(xiàn)象制成的，當聲波使金屬膜片振動時，連接在膜片上的線圈（叫做音圈）隨著一起振動，音圈在永久磁鐵的磁場里振動，其中就產(chǎn)生感應電流（電信號），感應電流的大小和方向都變化，變化的振幅和頻率由聲波決定，這個信號電流經(jīng)擴音器放大后傳給揚聲器，從揚聲器中就發(fā)出放大的聲音。 動圈式話筒構造原理動圈式話筒構造原理 動圈式話筒使用簡單，牢固可靠、性能穩(wěn)定、價格便宜，但瞬態(tài)響應和高頻特性不如電容式傳聲器。 電容傳聲器電容傳聲器 電容傳聲器是靠電容量的變化而工作的。 主要由振動膜片、剛性極板、電源和負載電阻等組成。它的工作原理是當膜片受到聲波的