CH3電容式傳感器

會(huì)計(jì)學(xué)1CH3電容式傳感器2023/1/172電容式傳感器

電容式傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。實(shí)際上,它本身（或/和被測(cè)物）就是一個(gè)可變電容器。

被測(cè)量的變化電容式傳感器電容量的變化

被測(cè)量：位移、壓力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量及成份分析等,精度可達(dá)0.01%，250mm量程可達(dá)5um。電容式傳感器作為頻響寬、應(yīng)用廣、非接觸測(cè)量的一種傳感器，是很有發(fā)展前途的。第1頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1733.1

電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為式中:ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，

ε=ε0εr，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr極板間介質(zhì)的相對(duì)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。+++dS第2頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1743.1

電容式傳感器的工作原理及類型當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得式中的S、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(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。因此，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。其中變極距型和變面積型應(yīng)用較廣。++++++第3頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/175圖4-1電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式圖(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)為變面積型，圖(a)和(e)為變極距型，圖(i)～(l)則為變介電常數(shù)型。第4頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/176第5頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/177駐極體電容傳聲器

它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。第6頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/178

3·2·1變極距電容式傳感器

當(dāng)電容器板間極距d縮小Δd，電容器增大ΔC。

可見ΔC與Δd

并不是純粹線性關(guān)系。當(dāng)Δd<<d

時(shí)，，

靈敏度可見在d越小時(shí)靈敏度越高。在測(cè)量微小量變化時(shí)，可以近似認(rèn)為

3.2

電容式傳感器的靈敏度及非線性第7頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/179變極距電容式傳感器在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以很大，從而使傳感器靈敏度提高。d0過(guò)小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，極板間可部分采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì),如下圖，第8頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1710式中：εg——云母的相對(duì)介電常數(shù)，εg=7；

ε0——空氣的介電常數(shù)，ε0=1；

d0——空氣隙厚度；

dg——云母片的厚度。此時(shí)電容C變?yōu)椋旱?頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1711電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)第10頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1712云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。同時(shí)，dg/ε0εg項(xiàng)是恒定值，它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。一般變極距電容式傳感器的起始電容在20~100pF之間，極板間距離在25~200μm的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10，故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。第11頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1713

實(shí)際應(yīng)用中，常常采用差動(dòng)型電容式傳感器。

作用：改善非線性，提高靈敏度，減少外界因素影響。差動(dòng)型電容式傳感器第12頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17143.2.2變面積型直線位移測(cè)量第13頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17152、角位移量第14頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17163、圓柱型位移量第15頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17173.2.3

變介質(zhì)型電容式傳感器第16頁(yè)/共42頁(yè)式中：ε——空氣介電常數(shù)；

C0——變換器初始電容值,即3.2.3

變介質(zhì)型電容式傳感器如圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測(cè)量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液面高度為h,變換器總高度為H，內(nèi)筒外徑為d，外筒內(nèi)徑為D，此時(shí)變換器電容值為第17頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1719變介質(zhì)型電容式傳感器可見，此變換器的電容增量正比于被測(cè)液位高度h。變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。第18頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1720變介質(zhì)型電容式傳感器圖中兩平行電極固定不動(dòng)，極距為d0，相對(duì)介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度進(jìn)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為電容量的變化與電介質(zhì)εr2的移動(dòng)量L成線性關(guān)系。第19頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1721電容式傳感器應(yīng)用第20頁(yè)/共42頁(yè)電容式接近開關(guān)振蕩電路被測(cè)物體感應(yīng)電極被測(cè)電容測(cè)量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測(cè)物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。第21頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17233.3

電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路3.3.1

特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、溫度穩(wěn)定性好。2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好。4、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。5、可以實(shí)現(xiàn)微壓、微力、微小位移、加速度等的測(cè)量。缺點(diǎn)：1、輸出阻抗高，負(fù)載能力差。2、寄生電容影響大。3、輸出特性非線性。第22頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17243.3.2

等效電路R,L——

傳輸線的電阻和電感

C

——

傳感器的電容；

Cp

——

寄生電容；

Rp

——

極間漏電阻（絕緣電阻）；A，B端等效電容Ce

(忽略Rp,R

的影響)：第23頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1725若Cp

很小，則對(duì)C求導(dǎo)：等效電容靈敏度：

等效電路第24頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17263.4

電容式傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小,這樣微小的電容量很難直接為目前的顯示儀表所顯示,也很難為記錄儀所接受,不便于傳輸。必須借助于測(cè)量電路檢出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電容轉(zhuǎn)換電路有調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等。第25頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17273.4.1

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。將頻率作為測(cè)量系統(tǒng)的輸出量,可以用來(lái)判斷被測(cè)非電量的大小,但此時(shí)系統(tǒng)是非線性的,不易校正,因此加入鑒頻器,將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化,經(jīng)過(guò)放大處理后輸入顯示或記錄等儀器。

第26頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17283·4·1

調(diào)頻測(cè)量電路

調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)為0時(shí)，ΔC為零。當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為0時(shí)，C產(chǎn)生變化ΔC，相應(yīng)引起Δf的變化為第27頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17293·4·2調(diào)幅電路①交流電橋法

設(shè)C1=C2=C3=CX=C,則CX改變時(shí)：，電橋平衡第28頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1730②諧振法L,Cx構(gòu)成振蕩電路。第29頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1731

3·4·3

運(yùn)算放大器式測(cè)量電路

變極距型電容式傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關(guān)系，使電容式傳感器的應(yīng)用受到了一定的限制。采用比例運(yùn)算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系。如下圖所示，反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容Ci，Ui為穩(wěn)定的工作電壓。由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運(yùn)算關(guān)系為輸出電壓與電容傳感器的間隙成線性關(guān)系。

第30頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17323.4.4

二極管雙T形交流電橋

二極管雙T形交流電橋電路原理圖。e是高頻電源，它提供了幅值為U的對(duì)稱方波，VD1、VD2為特性完全相同的兩只二極管，固定電阻R1=R2=R，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。第31頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1733

二極管雙T形交流電橋第32頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1734

當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí)，C1=C2。其電路工作原理如下：當(dāng)e為正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，于是電容C1充電，其等效電路如圖（b）所示；在隨后負(fù)半周出現(xiàn)時(shí)，電容C1上的電荷通過(guò)電阻R1，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I1。當(dāng)e為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通、VD1截止，則電容C2充電，其等效電路如圖（c）所示；在隨后出現(xiàn)正半周時(shí)，C2通過(guò)電阻R2，負(fù)載電阻RL放電，流過(guò)RL的電流為I2

。根據(jù)上面所給的條件，則電流I1=I2，且方向相反，在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零。第33頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1735

若傳感器輸入不為0，則C1≠C2,I1≠I2,此時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)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(gè)周期內(nèi)平均值為式中,f為電源頻率。第34頁(yè)/共42頁(yè)可見，輸出電壓Uo不僅與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。該電路輸出電壓較高，當(dāng)電源頻率為1.3MHz，電源電壓U=46V時(shí)，電容在-7~7pF變化，可以在1MΩ負(fù)載上得到-5~5V的直流輸出電壓。電路的靈敏度與電源電壓幅值和頻率有關(guān)，故輸入電源要求穩(wěn)定。當(dāng)U幅值較高，使二極管VD1、VD2工作在線性區(qū)域時(shí)，測(cè)量的非線性誤差很小。電路的輸出阻抗與電容C1、C2無(wú)關(guān)，而僅與R1、R2及RL有關(guān)，約為1~100kΩ。輸出信號(hào)的上升沿時(shí)間取決于負(fù)載電阻。對(duì)于1kΩ的負(fù)載電阻上升時(shí)間為20μs左右，故可用來(lái)測(cè)量高速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。第35頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/17373·5

電容式傳感器的應(yīng)用舉例電容式傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移、振動(dòng)振幅，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。還可以用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時(shí)被測(cè)物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。第36頁(yè)/共42頁(yè)2023/1/1738差分電容壓力傳感器：差分式電容測(cè)壓傳感器由兩個(gè)相同的可變電容組成。在被測(cè)壓力的作用下，一個(gè)電容的電容量增大,而另一個(gè)則相應(yīng)減小。差分式的電容傳感器比單極式的電容傳感器靈敏度高、線性好。但差分式測(cè)壓傳感器加工較困