第3章 傳統(tǒng)傳感元件及檢測技術1-電容式

1、第3章傳統(tǒng)傳感元件及檢測技術傳統(tǒng)式傳感器電阻應變式電容式磁電感應式磁敏式壓電式3.4.1 基本工作原理及特性3.4.2 電容式傳感器測量電路3.4.3 電容式傳感器的應用3.4 電容式傳感及檢測技術1. 電容式傳感器的工作原理由絕緣介質(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，其電容量為式中 電容器極板間介質(zhì)的介電常數(shù)， (其中 為真空的介電常數(shù)， =8.851012F/m， 為極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù))；A兩平行板所覆蓋的面積；l兩平行板之間的距離。3.4.1 基本工作原理及分類電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。（1）變極距型電容式傳感器條件：測量范圍l

2、l0 靈敏度與極距l(xiāng)成反比，極距越小，靈敏度越高。靈敏度實際應用中，為了提高傳感器的靈敏度、增大線性工作范圍和克服外界條件(如電源電壓、環(huán)境溫度等)的變化對測量精度的影響，常常采用差動型電容式傳感器。中間一塊極板為動極板，兩邊為定極板。當動極板移動l 距離，l1=l0 - l ， l2=l0+ l 。對應的電容量C1、C2的變化通過差動電橋疊加使輸出和靈敏度均提高一倍，非線性得到改善，且工作穩(wěn)定性好。條件：測量范圍ll0變極板間距離電容式傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，可以進行非接觸式測量，并且對被測量影響較小，所以適宜于對微位移的測量。它的缺點是具有非線性特性，所以測量范圍受到一定限制，另外傳感器的

3、寄生電容效應對測量精度也有一定的影響。結論：線位移型電容式傳感器平面線位移圓柱線位移平面線位移型傳感器如圖，電容量為：（2）面積變化型電容傳感器由結論:面積變化型電容傳感器電容量C與水平位移呈線性關系。靈敏度:2)電容式圓柱形傳感器(面積變化型)電容量C與軸向位移呈線性關系（3）變介質(zhì)型電容傳感器 在固定兩極板之間加入空氣以外的其他被測固體介質(zhì)，當介質(zhì)變化時，電容量也隨之變化。忽略邊界效應，假設空氣相對介電常數(shù)為 ，固體介質(zhì)相對介電常數(shù)為 ，電容量為假設兩極板間距離為l ，則 l1=ll2 ，電容量為： 當極板面積和極板間距一定時，電容量大小和被測固體材料的厚度和被測固體材料的介電常數(shù)有關。如

4、果已知材料的介電常數(shù)，可以制成測厚儀，而已知材料的厚度，可制成介電常數(shù)的測量儀。3.4.2 電容式傳感器測量電路 1. 電容式傳感器的等效電路電容式傳感器的等效電路 由等效電路可知，它有一個諧振頻率，通常為幾十兆赫。當工作頻率等于或接近諧振頻率時，諧振頻率破壞了電容的正常作用。因此，工作頻率應該選擇低于諧振頻率，否則電容傳感器不能正常工作。傳感元件的有效電容Ce可由下式求得(為了計算方便，略去Rs和Rp)：表明電容式傳感器的實際相對變化量與傳感器的固有電感L和角頻率有關。因此，在實際應用時必須與標定的條件相同。1）調(diào)頻測量電路圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為調(diào)頻式測量電路原理框圖 2. 電容式傳感器

5、的測量電路式中 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。當被測信號為0時，C=0，則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個固有頻率f0，其表示式為當被測信號不為0時，C0，振蕩器頻率有相應變化，此時頻率為優(yōu)點：調(diào)頻電容傳感器測量電路具有抗干擾能力強、靈敏度高等，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，并與計算機通信，可以發(fā)送、接收，以達到遙測遙控的目的。缺點：寄生電容對測量精度的影響較大。2) 運算放大器式測量電路 運算放大器的放大倍數(shù)很大，輸入阻抗Zi很高，

6、輸出電阻小，所以運算放大器作為電容式傳感器的測量電路是比較理想的。由運算放大器工作原理可得運算放大器式電路原理圖如果傳感器采用平板電容，則Cx= A /l，代入上式，則運算放大器的輸出電壓與極板間距離l成線性關系。式中，“”號表示輸出電壓的相位與電源電壓反相。 運算放大器式電路解決了單個變極板間距離式電容傳感器的非線性問題，但要求Zi及放大倍數(shù)足夠大。為保證儀器精度，還要求電源電壓的幅值和固定電容C值穩(wěn)定。3) 二極管雙T形交流電橋測量電路e是幅值為U的對稱方波高頻電源，VD1、VD2為參數(shù)和特性完全相同的兩只二極管，R1=R2=R為參數(shù)和特性完全相同的固定電阻，C1、C2為傳感器的兩個差動電

7、容。e 二極管雙T形交流電橋工作原理：e若傳感器輸入信號不為0，則C1C2，I1I2，此時在一個周期內(nèi)通過RL上的平均電流不為零，因此產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓在一個周期內(nèi)的平均值為 f電源頻率，U為電源電壓。當RL已知，式中 （常數(shù)），則上式可改寫為輸出Uo不僅與電源電壓幅值U和頻率f有關，而且與T形網(wǎng)絡中的C1和C2的差值有關。當電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。電路靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關，故輸入電源要求穩(wěn)定。U幅值較高，二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時，測量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無關，而僅與R1、R2及RL有關，約為1k100k。輸出信

8、號的上升沿時間取決于負載電阻。對于1k的負載電阻上升時間為20s左右，故可用來測量高速的機械運動。 隨著電容式傳感器應用問題的完善解決，它的應用優(yōu)點十分明顯：(1)分辨力極高,能測量0.01微米的絕對變化量和高達(C/C)=100%-200%的相對變化量，因此尤其適合微信息檢測；(2)動極質(zhì)量小，可無接觸測量；自身的功耗、發(fā)熱和遲滯極小，可獲得高的靜態(tài)精度和好的動態(tài)特性；（3）結構簡單,不含有機材料或磁性材料，對環(huán)境(除高濕外)的適應性較強；(4)過載能力強。3.4.3 電容式傳感器的應用1. 電容式測厚傳感器原理 當被軋板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則 C 發(fā)生變化。 C增大，表示板材厚

9、度l2變??；C減小，表示板材厚度l2變厚。 電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導線連接起來成為一個極，而帶材就是電容的另一個極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化。 音頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的音頻信號，接入變壓器T的原邊線圈，變壓器副邊的兩個線圈作為測量電橋的兩臂，電橋的另外兩橋臂由標準電容C0和帶材與極板形成的被測電容Cx(Cx=C1+C2)組成。電橋的輸出電壓經(jīng)放大器放大后整流為直流，再經(jīng)差動放大，即可用指示電表

10、指示出帶材厚度的變化。 C的變化經(jīng)過電橋調(diào)節(jié)后，由耦合電容輸出給運放進行放大，再經(jīng)過整流濾波和差動放大后，一 方面由顯示儀表讀出板材厚度，一方面通過反饋回路將偏差信號送給壓力調(diào)節(jié)器，使板材厚度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。2. 數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計算機壓力傳感器靜壓 PSi、動壓 Pd(Pt)、總溫 Tt和攻角L電容式壓力傳感器：差動電容式和電容量式（測量靜壓）1）差動電容式 圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，構成差動電容器。 在兩隔離膜外的壓力 P1=P2 時，彈性膜片與左右固定極板間距相同，初始間距相同，初始最大間距為 l0 ,電容 C1=C2=C0。 當 ，即有壓差作用，其作用

11、通過隔離膜與硅油將壓差傳遞給彈性膜片，在壓差的作用下彈性膜片產(chǎn)生形變，相當于動電極與固定電極間隙改變（ ），由于 很小，可以認為 （式中 k 為比例常數(shù), 壓差)k由電容器極板的面積和介電常數(shù)決定的常數(shù)壓力變送器1151系列電容式變送器外形圖被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在元件(即敏感元件)的兩側隔離膜片上，通過隔離膜片和元件內(nèi)的填充液傳到預張緊的測量膜片兩側。當兩側壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側電容就不等，通過檢測，放大轉換成電流信號。各種電容式差壓變送器外形 2）電容量式壓力傳感器（ 運算放大器式測量電路）優(yōu)點：由于采用了閉環(huán)測量技術，遲滯性

12、低、重復性高、穩(wěn)定性高。ZP，ZR被測可變電容CP和標準參考電容CR阻抗UR參考電壓（激勵）大氣數(shù)據(jù)計算機A/D轉換電路圖 靜壓測量值PS經(jīng)過差動電容式和電容量式變換成電壓輸出經(jīng)A/D轉換電路送至大氣數(shù)據(jù)計算機進行數(shù)據(jù)綜合處理。3. 電容式加速度傳感器 當傳感器殼體隨被測對象沿垂直方向作直線加速運動時，質(zhì)量塊在慣性空間中相對靜止，兩個固定電極將相對于質(zhì)量塊在垂直方向產(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一個增加，一個減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號相反的增量，此增量正比于被測加速度。 電容式加速度傳感器的主要特點是頻率響應快和量程范圍大，大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質(zhì)。

13、4.電容式物位傳感器 電容式物位傳感器是利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器。當被測液面高度發(fā)生變化時，兩同軸電極間的介電常數(shù)將隨之發(fā)生變化從而引起電容量的變化。假設被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，而液面以上部分介質(zhì)的介電常數(shù)為2，則其電容量為H-傳感器插入液面的深度；L-兩電極板相互覆蓋部分的長度；D，d-分別為外電極的內(nèi)徑和內(nèi)電極的外徑 兩種介質(zhì)介電常數(shù)差別(1-2)越大、極徑D與d相差(即極距)愈小，傳感器靈敏度就愈高. 上述原理也可用于導電介質(zhì)液位的測量。這時，傳感器極板必須與被測介質(zhì)絕緣。電容式料位傳感器，用來測量非導電固體散料的料位。由于固體摩擦力較大，容易“滯留”，故一般不用雙層電極，而用電極棒與容器壁組成電容傳感器兩極。電容式液位傳感器（液位計/料位計）發(fā)動機儀表中的油量表5. 推力表(發(fā)動機儀表)推力表是了解發(fā)動機功率的儀表（屬于間接測量）壓力壓力比推力本 節(jié) 小 結電容式傳感器是將被測的非電量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器。電容式傳感器又分為變極距式、變面積式和變介電常數(shù)式三種。其中變面積式和變介電常數(shù)式電容傳感器的輸入輸出特性為線性關系，變極距式電容傳感器的輸入輸出特性為非線性關系(僅在極距變化量