電容式傳感器及應(yīng)用

1、電容式傳感器及應(yīng)用第1頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/20221引言電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化量的一種傳感器。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨力高、可非接觸測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈震動(dòng)等惡劣條件下工作 。很有發(fā)展前途的傳感器 。第2頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/20222目錄3.1電容式傳感器工作原理及類型 3.2電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 3.3電容式傳感器的應(yīng)用 第3頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202233.1電容式傳感器工作原理及類型由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容

2、器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，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(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式3種類型。 第4頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202243.1.1 變面積式電容傳感器 面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距、介質(zhì)等保持不變，被測(cè)量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為動(dòng)極板。第5頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/20225面積變化型電容

3、傳感器原理 第6頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/20226（a）為平板形位移電容傳感器。 設(shè)兩個(gè)相同極板的長(zhǎng)為b，寬為a，極板間距離為d，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后，電容Cx也隨之改變。電容的相對(duì)變化量和靈敏度為 第7頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/20227差動(dòng)結(jié)構(gòu)形式 提高測(cè)量精度 ，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。 中間極板移動(dòng)變面積式電容傳感器原理 第8頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/20228（b）為圓柱線位移電容傳感器 靈敏度K也為一常數(shù)。 第9頁(yè)，共45頁(yè)，202

4、2年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/20229（c）為角位移形式的電容傳感器。 當(dāng)動(dòng)極板有一角位移時(shí)，兩極板的相對(duì)面積A也發(fā)生改變，導(dǎo)致兩極板間的電容量發(fā)生變化 當(dāng) 時(shí) 當(dāng) 時(shí) 第10頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202210推導(dǎo)過(guò)程電容與角位移成線性關(guān)系。其靈敏度為變面積式電容傳感器的輸出是線性的，靈敏度K是一常數(shù)。 第11頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022113.1.2 變極距式電容傳感器 兩極板的有效作用面積及極板間的介質(zhì)保持不變，則電容量C隨極距d按非線性關(guān)系變化， 第12頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5

5、月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202212電容值 動(dòng)極板2未動(dòng)時(shí)傳感器初始電容（ ）。 當(dāng)動(dòng)極板2移動(dòng)x值后， 第13頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202213結(jié)論分析當(dāng) 時(shí) 電容與x 近似線性關(guān)系，但量程縮小很多，變極距式電容傳感器的靈敏度為 第14頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202214極距變化型電容傳感器的靈敏度與極距的平方成正比，極距越小靈敏度越高。但 過(guò)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)。 原理上的非線性 ，要修正。差動(dòng)工作方式，電容傳感器的靈敏度提

6、高了一倍，非線性得到了很大的改善， 第15頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202215結(jié)論極距變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，靈敏度和精度極高（可達(dá)nm級(jí)），適應(yīng)于較小位移（1nm1 m）的精度測(cè)量。但傳感器存在原理上的非線性誤差，線路雜散電容（如電纜電容、分布電容等）的影響顯著，為改善這些問(wèn)題而需配合使用的電子電路比較復(fù)雜 第16頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022163.1.3 變介電常數(shù)式電容傳感器 介質(zhì)變化型電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測(cè)量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化

7、。主要用來(lái)測(cè)量?jī)蓸O板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。第17頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202217介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu) 第18頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202218結(jié)論傳感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面h成線性關(guān)系，只要測(cè)出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。 第19頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022193.2電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電容傳感器將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化后，還需由后接的轉(zhuǎn)換電路將電容的變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化。

8、 第20頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202220轉(zhuǎn)換電路的組成部分1交流電橋 2調(diào)頻電路 3運(yùn)算放大式電路 4脈沖寬度調(diào)制電路 5二極管雙T型交流電橋 第21頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022211交流電橋?qū)㈦娙輦鞲衅鞯膬蓚€(gè)電容作為交流電橋的兩個(gè)橋臂，通過(guò)電橋把電容的變化轉(zhuǎn)換成電橋輸出電壓的變化。電橋通常采用由電阻-電容、電感-電容組成的交流電橋，圖3-6為電感-電容電橋。 第22頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202222分析變壓器的兩個(gè)二次繞組L1、L2與差動(dòng)電容傳感器的兩個(gè)電容

9、C1、C2作為電橋的4個(gè)橋臂，由高頻穩(wěn)幅的交流電源為電橋供電。電橋的輸出為一調(diào)幅值，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，獲得與被測(cè)量變化相對(duì)應(yīng)的輸出，最后為儀表顯示記錄。 第23頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022232調(diào)頻電路把傳感器接入調(diào)頻振蕩器的LC諧振網(wǎng)絡(luò)中，被測(cè)量的變化引起傳感器電容的變化，繼而導(dǎo)致振蕩器諧振頻率的變化。頻率的變化經(jīng)過(guò)鑒頻器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)過(guò)放大器放大后輸出。 第24頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022242調(diào)頻電路的特點(diǎn)測(cè)量電路的靈敏度很高，可測(cè)0.01m的位移變化量，抗干擾能力強(qiáng)（加入混頻器后更

10、強(qiáng)），缺點(diǎn)是電纜電容、溫度變化的影響很大，輸出電壓U0與被測(cè)量之間的非線性一般要靠電路加以校正，因此電路比較復(fù)雜。 第25頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022253運(yùn)算放大式電路極距變化型電容傳感器的電容與極距之間的關(guān)系為反比關(guān)系，傳感器存在原理上的非線性。利用運(yùn)算放大器的反相比例運(yùn)算可以使轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與極距之間關(guān)系變?yōu)榫€性關(guān)系，從而使整個(gè)測(cè)試裝置的非線性誤差得到很大的減小。 第26頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202226特點(diǎn)運(yùn)算式電路的原理較為簡(jiǎn)單，靈敏度和精度最高。但一般需用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù)來(lái)消除電纜電容的影

11、響，電路較為復(fù)雜且調(diào)整困難。第27頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022274脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路（PWM）是利用傳感器的電容充放電使電路輸出脈沖的占空比隨電容式傳感器的電容量變化而變化，然后通過(guò)低通濾波器得到對(duì)應(yīng)于被測(cè)量變化的直流信號(hào)。 第28頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202228第29頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202229特點(diǎn)能獲得線性輸出；雙穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)一般為100kHz1MHz的矩形波，所以直流輸出只需經(jīng)濾波器簡(jiǎn)單引出，不需要解調(diào)器，即能獲得直流輸出。電路采用

12、穩(wěn)定度較高的直流電源，這比其他測(cè)量線路中要求高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的交流電源易于做到。如果將雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器Q端的電壓信號(hào)送到計(jì)算機(jī)的定時(shí)、計(jì)數(shù)引腳，則可以用軟件來(lái)測(cè)出占空比q，從而計(jì)算出C的數(shù)值。這種直接采用數(shù)字處理的方法不受電源電壓波動(dòng)的影響 第30頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022305二極管雙T型交流電橋二極管雙T型交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供幅值為Ui的對(duì)稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的2個(gè)二極管，R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。 第31頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202231

13、3.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器不但應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度及荷重等機(jī)械量的精密測(cè)量，還廣泛應(yīng)用于壓力、差壓力、液位、料位、濕度、成分含量等參數(shù)的測(cè)量。第32頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202232分類1電容式接近開關(guān) 2電容式油量表 3電容式差壓傳感器 4電容測(cè)厚儀 第33頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022331電容式接近開關(guān)1檢測(cè)極板 2充填樹脂 3測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 4塑料外殼5靈敏度調(diào)節(jié)電位器 6工作指示燈 7信號(hào)電纜第34頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202234工作

14、過(guò)程（1）檢測(cè)極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)殼體內(nèi)，用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹脂填充、灌封。當(dāng)沒(méi)有物體靠近檢測(cè)極時(shí)，檢測(cè)板與大地間的電容量C非常小，它與電感L構(gòu)成高品質(zhì)因數(shù)（Q）的LC振蕩電路，Q=1（CR）。當(dāng)被檢測(cè)物體為地電位的導(dǎo)電體（如與大地有很大分布電容的人體、液體等）時(shí)，檢測(cè)極板對(duì)地電容C增大，LC振蕩電路的Q值將下降，導(dǎo)致振蕩器停振。 第35頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202235工作過(guò)程（2）當(dāng)不接地、絕緣被測(cè)物體接近檢測(cè)極板時(shí)，由于檢測(cè)極板上施加有高頻電壓，在它附近產(chǎn)生交變電場(chǎng)，被檢測(cè)物體就會(huì)受到靜電感應(yīng)，而產(chǎn)生極化現(xiàn)象

15、，正負(fù)電荷分離，使檢測(cè)極板的對(duì)地等效電容量增大，使LC振蕩電路的Q值降低。對(duì)能量損耗較大的介質(zhì)（如各種含水有機(jī)物），它在高頻交變極化過(guò)程中是需要消耗一定能量的，該能量是由LC振蕩電路提供的，必然使Q值進(jìn)一步降低，振蕩減弱，振蕩幅度減小。當(dāng)被測(cè)物體靠近到一定距離時(shí)，振蕩器的Q值低到無(wú)法維持振蕩而停振。根據(jù)輸出電壓U0的大小，可大致判定被測(cè)物接近的程度。 第36頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202236電容式接近開關(guān)第37頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022372電容式油量表1油料 2電容器 3伺服電機(jī) 4減速器 5指示表盤

16、第38頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202238工作原理當(dāng)油箱中注入油時(shí)，液位上升至h處，電容的變化量CX與h成正比，電容為CX=CX0+CX。此時(shí)，電橋失去平衡，電橋的輸出電壓U0經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，由減速箱減速后帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP滑動(dòng)，使RP的阻值增大，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)，U0=0，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角X1處。可從油量刻度盤上直接讀出油位的高度h。當(dāng)油箱中的油位降低時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP滑動(dòng)，使其阻值減少。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)，U0=0，于是伺服電

17、動(dòng)機(jī)再次停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角X2處。如此，可判定油箱的油量。第39頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022393電容式差壓傳感器 1彈性膜片 2凹玻璃圓片 3金屬涂層 4輸出端子 5空腔 6過(guò)濾器 7殼體 第40頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202240工作原理當(dāng)被測(cè)壓力通過(guò)過(guò)濾器6進(jìn)入空腔5時(shí)，金屬?gòu)椥阅て?在兩側(cè)壓力差作用下，將凸向壓力低的一側(cè)。膜片和兩個(gè)鍍金玻璃圓片2之間的電容量發(fā)生變化，由此可測(cè)得壓力差。這種傳感器分辨率很高，常用于氣、液的壓力或壓差及液位和流量的測(cè)量。 第41頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/202241電容式差壓變送器外形第42頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)40分，星期五9/23/2022424電容測(cè)厚儀 1金屬帶材 2電容極板