第4章 電容式傳感器課件

1、第4章 電容式傳感器 電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，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。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以不用有機(jī)材料和磁性材料構(gòu)成，所以能在高 溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作；可非接觸測(cè)量；靈敏度高；響應(yīng)時(shí)間短，適合在線和動(dòng)態(tài)測(cè)量；極間的相互吸力十分微小，保證了比較高的測(cè)量精度；缺點(diǎn)：易受分布電容和外界干擾的影響，負(fù)載能力弱，存在非線性等。 4.1 電容式傳感器工作原理及分類4.2 測(cè)量電路4.3電容式傳感器的應(yīng)用及補(bǔ)充材料 1F=106F=109 nF=1012 pF第4章 電容式傳感器4.1 電容式傳感器的工作原理4.1.1、變面積式電容傳感器 4.1

2、.2、變間隙式電容傳感器 4.1.3、變介電常數(shù)式電容傳感器第4章 電容式傳感器一、工作原理及結(jié)構(gòu)類型 電容式傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 多數(shù)場(chǎng)合下，電容器是由兩個(gè)金屬平行板組成，且以空氣為介質(zhì)。如果不考慮邊緣效應(yīng)，電容器的電容量 ：S 兩平行極板所覆蓋的面積；D 兩平行極板之間的距離； 極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；0 真空介電常數(shù)（8.85410-12 Fm-1）r 介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)， r空氣1，其它介質(zhì)r 1。 當(dāng)被測(cè)量使得S 、d 或 發(fā)生變化時(shí)，電容量C 也隨之變化。一般保持其中兩個(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。dSdSCr0第4章 電容式傳

3、感器變面積式變面積式( (變變s)s)變間隙式變間隙式( (變變d)d)變介電常數(shù)變介電常數(shù)( (變變s)s)u 電容式傳感器可分為三種類型：第4章 電容式傳感器（a）、（b）變間隙式；（c）、（d）、（e）、（f）變面積式；（g）、（h）變介電常數(shù)式第4章 電容式傳感器1、變面積式電容傳感器 包括角位移和線位移（平面線位移、圓筒線位移） 第4章 電容式傳感器1）. 直線位移式 極板起始覆蓋面積為Sab， 沿活動(dòng)極板寬度方向移動(dòng) x，則改變了兩極間覆蓋面積。忽略邊緣效應(yīng)，改變后的電容量為初始電容：dabC0 xdbCdxbbadxabCx0)(axCxdbCCCx00C與x成線性關(guān)系圖4.2

4、變面積型電容傳感器原理圖第4章 電容式傳感器u 增加極板長(zhǎng)度b、減小極板間距d都可以提高靈敏度K ；u 減小極板寬度a可提高相對(duì)靈敏度KC ，而極板起始覆蓋長(zhǎng)度b與相對(duì)靈敏度KC 無關(guān)。但a不能太小，必須保證ad ，否則邊緣不均勻電場(chǎng)影響將增大。靈敏度靈敏度為常數(shù)。dbxCK第4章 電容式傳感器 為提高測(cè)量精度，也常用如圖4.3所示的結(jié)構(gòu)形式，以減少動(dòng)極板與定極板之間的相對(duì)極距可能變化而引起的測(cè)量誤差。圖4.3 中間極板移動(dòng)變面積式電容傳感器原理圖第4章 電容式傳感器2）. 角位移 當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移時(shí)，與定極板的遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)0 時(shí)，則 dSC0當(dāng)0時(shí)，則

5、001CCdSC 這種形式的傳感器電容量C與角位移是成線性關(guān)系的。 00CCCC 靈敏度：0CCK第4章 電容式傳感器變面積式電容傳感器動(dòng)畫第4章 電容式傳感器 在實(shí)際應(yīng)用中，也采在實(shí)際應(yīng)用中，也采用用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，以提高靈敏差動(dòng)結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度。度。角位移測(cè)量用的差動(dòng)角位移測(cè)量用的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)如圖式結(jié)構(gòu)如圖4.54.5所示。所示。 圖4.5 差動(dòng)角位移式電容傳感器原理圖 變面積式電容傳感器輸入輸出變面積式電容傳感器輸入輸出成成線性線性關(guān)系（忽略邊緣效應(yīng)），但關(guān)系（忽略邊緣效應(yīng)），但靈敏度較低，適用于靈敏度較低，適用于較大直線位移較大直線位移及及角位移角位移測(cè)量。測(cè)量。 第4章 電容式傳感器2、變

6、間隙式電容傳感器 初始電容 00dSC202000001111dddddSdddSddSC當(dāng)d比較器的參考電壓Ur。l 測(cè)量原理： 電源接通，Q1， A點(diǎn)為高電位， 通過R1對(duì)C1充電， UM上升，直到高于Ur時(shí)比較器A1產(chǎn)生脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)變?yōu)榈碗娢?，C1通過VD1迅速放電使UM接近零電位，此時(shí)B點(diǎn)為高電位，通過R2對(duì)C2充電，UN上升，直到高于Ur時(shí)比較器A2產(chǎn)生脈沖使雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器重新翻轉(zhuǎn)，第4章 電容式傳感器 C1= C2 時(shí)，C1 和C2 充電相同，電壓波形如圖(a)，輸出電壓uAB為等寬矩形波，平均電壓值為零。 當(dāng)差動(dòng)電容C1 和C2 值不相等時(shí)，假設(shè)C1C2，則C1 和

7、C2 充電時(shí)間發(fā)生變化，電壓波形如圖(b)。uAB為不等寬矩形波，平均電壓值不為零，C1 、C2相差越大，此值越大。經(jīng)低通濾波器濾波后獲得直流輸出電壓Uo. 。12121oUCCCCUU1觸發(fā)器輸出高電平 A點(diǎn)變?yōu)楦唠娢唬珺點(diǎn)變?yōu)榈碗娢?，如此周而?fù)始。第4章 電容式傳感器對(duì)平行板變極距電容器 11212oUddddU當(dāng)差動(dòng)電容C1C2C0。，即 d1d2d0時(shí)，Uo0；若C1C2，C1C2，即d1d0-d，d2d0+d，則 10oUddU若為差動(dòng)變極板面積電容傳感器 112121oUSSUSSSSU特點(diǎn)：(1) 輸出電壓與被測(cè)位移（或面積變化）成線性關(guān)系；(2) 效率高，不需要解調(diào)器，信號(hào)只要

8、經(jīng)過低通濾波器就有較大的直流輸出；(3) 不需要載波； 調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出無影響；不像調(diào)幅線路那樣，需對(duì)元件提出線性要求；(4) 由于低通濾波器作用，對(duì)輸出矩形波純度要求不高。第4章 電容式傳感器4.2.3、調(diào)頻測(cè)量電路 調(diào)頻測(cè)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，將頻率的變化在鑒頻中變換為振幅的變化，經(jīng)過放大后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來。也可以直接通過計(jì)數(shù)器測(cè)定其頻率資。(輸入 C f U )傳感器傳感器第4章 電容式傳感器調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定： LCf21式中 L 振蕩回路的電感； C總電容。CCl+

9、Cc+C0C；其中 C1振蕩回路的固有電容； Cc傳感器的引線分布電容； C0C傳感器的電容。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)， C 0，則CCl+Cc+C0，所以振蕩器有一個(gè)固有頻率 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，即C0，振蕩頻率有相應(yīng)變化，此時(shí)，頻率為 優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高，可測(cè)量0.01m甚至更小位移； 抗干擾能力強(qiáng)； 能獲得高電平直流信號(hào)（伏特?cái)?shù)量級(jí)）或頻率數(shù)字信號(hào)（易用于數(shù)字儀器和計(jì)算機(jī)接口）；缺點(diǎn)： 受溫度影響大 。)(21010CCCLfc)(21010CCCCLfffc第4章 電容式傳感器4.3 電容式傳感器的應(yīng)用 電容式傳感器因靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能在惡劣條件下工作、可非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛

10、應(yīng)用于位移、振動(dòng)、加速度、角度等機(jī)械量的精密測(cè)量，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。第4章 電容式傳感器 1 1電容式位移傳感器電容式位移傳感器 采用了差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)測(cè)量桿隨被測(cè)位移運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)活動(dòng)電極采用了差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。當(dāng)測(cè)量桿隨被測(cè)位移運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)活動(dòng)電極位移時(shí)，導(dǎo)致活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極間的覆蓋面積發(fā)生變化，位移時(shí)，導(dǎo)致活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極間的覆蓋面積發(fā)生變化，其電容量也相應(yīng)產(chǎn)生變化。其電容量也相應(yīng)產(chǎn)生變化。 圖4.20 變面積式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖 （差動(dòng)式）（差動(dòng)式）傳感器傳感器第4章 電容式傳感器2、電容式差壓傳感器（差壓變送器） 它由金屬?gòu)椥詼y(cè)量膜片7與凹型絕

11、緣體5（陶瓷、玻璃等）上金屬膜6（鍍金）組成兩室結(jié)構(gòu)，室內(nèi)充滿硅油。金屬?gòu)椥阅て?為動(dòng)極板，凹型絕緣體上的金屬膜6為定極板，構(gòu)成差動(dòng)變間隙電容傳感器。 該壓力傳該壓力傳感器可用于測(cè)量微小壓差感器可用于測(cè)量微小壓差 1、4波紋隔離膜片；2、3基座；5玻璃層；6金屬膜；7彈性測(cè)量膜片第4章 電容式傳感器 3 3電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀 電容測(cè)厚儀的關(guān)鍵部件之一就是電容測(cè)厚傳感器。在板材軋電容測(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)測(cè)金屬板材的厚度變化情況。制過程中由它監(jiān)測(cè)金屬板材的厚度變化情況。 。 圖4.22 電容測(cè)厚儀工作原理（差動(dòng)式）（差動(dòng)式）傳感器傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器第4章 電容式傳感器 小小 結(jié)結(jié) 變電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、抗過載能力大、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，且能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。 只要固定平行板電容器3個(gè)參量d、S、中的兩個(gè)，只要另外一個(gè)參數(shù)改變，則電容量