傳感器技術(shù)和應(yīng)用

2023/4/211第4章電容式傳感器2023/4/212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。2023/4/2134.1電容式傳感器工作原理由絕緣介質(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。 2023/4/2144.1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。2023/4/215面積變化型電容傳感器原理1.直線位移型2023/4/216面積變化型電容傳感器原理2.角位移型2023/4/217面積變化型電容傳感器原理3.圓筒型2023/4/2184.1.2變極距式電容傳感器當(dāng)改變電容器兩極板間的距離時(shí)，電容器的電容也會(huì)發(fā)生變化。2023/4/219（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

2023/4/2110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。2023/4/21114.1.3變介質(zhì)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。主要用來測(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。2023/4/2112介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)1.位移型2023/4/2113介質(zhì)變化型電容傳感器結(jié)構(gòu)2.液位型2023/4/2114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。

當(dāng)電容傳感器處于初始位置時(shí)，電橋平衡，電橋輸出電壓

；當(dāng)被測(cè)量的變化引起電容傳感器的電容發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，電橋有電壓輸出，即

。2023/4/21154.2電容式傳感器的測(cè)量電路常用電路有:電橋電路、運(yùn)算放大器測(cè)量電路、脈沖調(diào)制電路、調(diào)頻電路。1.電橋電路。

2023/4/21164.2電容式傳感器的測(cè)量電路1.電橋電路

為了提高靈敏度，減小誤差，常采用差動(dòng)形式，其電路如圖所示。Cx1和Cx2表示差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)電容。2023/4/21174.2電容式傳感器的測(cè)量電路1.電橋電路--電橋測(cè)量電路框圖2023/4/21184.2電容式傳感器的測(cè)量電路2.二極管雙T形交流電橋二極管雙T形交流電橋電路原理如圖4-12所示。圖中，C1、C2為差動(dòng)電容式傳感器的電容，RL為負(fù)載電阻，VD1、VD2為理想二極管，R1、R2為固定電阻；e為高頻電源，它提供幅值為Ue的對(duì)稱方波。

2023/4/21194.2電容式傳感器的測(cè)量電路3.運(yùn)算放大器式測(cè)量電路

運(yùn)算放大器的特點(diǎn)就是放大倍數(shù)A很大，輸入阻抗也很大。理想的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗都是無窮大。利用運(yùn)算放大器的這些特點(diǎn)就可作為電容式傳感器的測(cè)量電路，來解決單個(gè)變極距式電容器傳感器的非線性問題。運(yùn)算放大器式測(cè)量電路如圖所示。圖中，C為總的輸入電容，Cx是電容傳感器。2023/4/21204.2電容式傳感器的測(cè)量電路4.調(diào)頻電路:把電容式傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分，其部分電路如圖所示。當(dāng)被測(cè)量引起電容量變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就會(huì)發(fā)生變化，然后通過鑒頻器把頻率的變化轉(zhuǎn)換為幅值的變化，再經(jīng)過放大后就可以通過儀表顯示出來。

調(diào)頻電路具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量。易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并能與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。2023/4/21214.2電容式傳感器的測(cè)量電路5.諧振電路:振蕩器提供穩(wěn)定的高頻信號(hào)通過L1、C1回路選頻，再通過電感耦合到LCx諧振回路。當(dāng)傳感器電容Cx發(fā)生變化時(shí)，則引起諧振回路阻抗的變化，而這個(gè)變化會(huì)使整流器的電流發(fā)生變化。變化的電流再經(jīng)放大器放大后就可通過儀表顯示被測(cè)量的變化。

諧振電路的靈敏度較高，但工作點(diǎn)不易選擇，變化范圍較窄。2023/4/21224.2電容式傳感器的測(cè)量電路6.脈沖寬度調(diào)制電路

2023/4/21234.3電容式傳感器的誤差及制作要求4.3.1電容式傳感器的誤差因素1.溫度的影響3.寄生電容的影響2.漏電阻的影響2023/4/21244.3電容式傳感器的誤差及制作要求4.3.2電容式傳感器的制作要求1）傳感器的電容值要盡量的大些。目的在于降低輸出阻抗及對(duì)絕緣材料的要求，提高靈敏度。（2）要采用介電常數(shù)大的電介質(zhì)材料。（3）要選用膨脹系數(shù)小的材料作為電極。目的在于減小溫度附加誤差。（4）要求電源的頻率不應(yīng)過低。目的在于減小輸出阻抗，提高靈敏度。一般不應(yīng)小于500～1000Hz。（5）要求傳感器及引線要采用屏蔽措施。目的在于消除寄生電容的影響，提高靈敏度。2023/4/21254.4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。2023/4/21264.4.1電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是將由被測(cè)壓力引起的彈性元件的位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓瘉韺?shí)現(xiàn)測(cè)量的。2023/4/21274.4.2電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器是將被測(cè)物的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電容量變化，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-19所示2023/4/21284.4.3電容式濕度傳感器電容式濕度傳感器是通過改變傳感器中電介質(zhì)的介電常數(shù)，從而引起電容量的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。2023/4/21294.4.4電容式荷重傳感器電容式荷重傳感器是利用彈性元件的變形，致使電容隨外加載荷的變化而變化。2023/4/21304.4.5電容式厚度傳感器1.電容式測(cè)厚儀2023/4/21314.4.5電容式厚度傳感器2.電容式厚度傳感器2023/4/21324.4.6電容式位移傳感器電容式位移傳感器就是通過改變電容器極板間的距離引起電容量的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。通常采用的是一種單極變極距式。2023/4/21334.5電容柵式傳感器電容柵式傳感器是在電容式傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳感器。它具有電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然它也有其自身的特點(diǎn)，如抗干擾能力強(qiáng)、精度高和量程大等特點(diǎn)。2023/4/21344.5.1基本類型及原理1.基本類型及原理2023/4/21354.5.1基本類型及原理2.電容柵極片的結(jié)構(gòu)形式（a）動(dòng)尺2023/4/21364.5.2測(cè)量電路電容柵式傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相式測(cè)量電路，以得到調(diào)幅或調(diào)相信號(hào)。2023/4/21374.5.2測(cè)量電路電容柵式傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相式測(cè)量電路，以得到調(diào)幅或調(diào)相信號(hào)。2023/4/2138附：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2023/4/2139工作過程（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（ωCR）。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。2023/4/2140工作過程（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，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