自動檢測技術(shù)及應(yīng)用課件第電容式傳感器

自動檢測技術(shù)及應(yīng)用課件第電容式傳感器第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一eg.加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的假人氣囊第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一一.電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，實質(zhì)上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。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(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。第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)被測參數(shù)變化使S、d或ε發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(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。第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一

分類示意圖：

c)介質(zhì)變化型b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++a)極距變化型;+++第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)傳感器的εr和S為常數(shù)，初始極距為d0時，可知其初始電容量C0為

若電容器極板間距離由初始值d0縮小了Δd，電容量增大了ΔC，則有第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一變極距型電容式傳感器1.變極距型電容傳感器第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一若Δd/d0<<1時，1-(Δd/d0)2≈1，則

此時C與Δd近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在Δd/d0很小時，才有近似的線性關(guān)系。另外，在d0較小時，對于同樣的Δd變化所引起的ΔC可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。但d0過小，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),此時電容C變?yōu)榈诰彭?，共四十七頁，編輯?023年，星期一式中：εg——云母的相對介電常數(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。第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一放置云母片的電容器第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一

云母片的相對介電常數(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，dg/ε0εg項是恒定值，它能使傳感器的輸出特性的線性度得到改善。一般變極板間距離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，故在微位移測量中應(yīng)用最廣。第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一變面積型電容傳感器原理圖2.變面積型電容式傳感器

第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動極板相對于定極板沿長度方向平移Δx時，則電容變化量為式中C0=ε0εrba/d為初始電容。電容相對變化量為很明顯，這種形式的傳感器其電容量C與水平位移Δx呈線性關(guān)系。第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一電容式角位移傳感器原理圖第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)動極板有一個角位移θ時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)θ=0時，則式中：εr——介質(zhì)相對介電常數(shù)；

d0——兩極板間距離；

S0——兩極板間初始覆蓋面積。第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)θ≠0時，則可以看出，傳感器的電容量C與角位移θ呈線性關(guān)系。第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一電容式液位變換器3.變介質(zhì)型電容式傳感器第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一上圖是一種變極板間介質(zhì)的電容式傳感器用于測量液位高低的結(jié)構(gòu)原理圖。設(shè)被測介質(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，此時變換器電容值為式中：ε——空氣介電常數(shù)；

C0——由變換器的基本尺寸決定的初始電容值,即此變換器的電容增量正比于被測液位高度h。第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一RrL電容式物位計原理圖Lx第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一變介質(zhì)型電容式傳感器第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一

變介質(zhì)型電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。兩平行電極固定不動，極距為d0，相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器總電容量C為第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一式中：L0和b0——極板的長度和寬度；

L——第二種介質(zhì)進入極板間的長度。若電介質(zhì)εr1=1,當(dāng)L=0時，傳感器初始電容C0=ε0εrL0b0/d0。當(dāng)被測介質(zhì)εr2進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為可見，電容量的變化與電介質(zhì)εr2的移動量L成線性關(guān)系。第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)表第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一二.電容式傳感器的測量電路1調(diào)頻電路

調(diào)頻測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，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一式中：

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=C0±ΔC為傳感器的電容。調(diào)頻式測量電路原理框圖第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一

調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01μm級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強，可以發(fā)送、接收，以達到遙測遙控的目的。第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一

2.運算放大器式電路

運算放大器可以作為電容式傳感器的比較理想的測量電路。運算放大器式電路原理圖中Cx為電容式傳感器電容；Ui是交流電源電壓;Uo是輸出信號電壓;Σ是虛地點。由運算放大器工作原理可得..如果傳感器是一只平板電容，則Cx=εS/d，可得第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一運算放大器式電路原理圖第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一對于變極距差動電容傳感器:反相比例放大器：第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一A1A2UrR1R2C1D1D2C2QQAFBGA3+V-VU0R-S觸發(fā)器3.脈沖寬度調(diào)制電路第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUR比較器循環(huán)工作第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一U0平均值為零U0平均值不為零第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一設(shè)R1=R2與電容差值成正比T1—T2第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一在變極板距離的情況下可得式中,d1、d2分別為Cx1、Cx2極板間距離。當(dāng)差動電容Cx1=Cx2=C0，即d1=d2=d0時，Uo=0；若Cx1≠Cx2，設(shè)Cx1>Cx2

，即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,則有第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一同樣，在變面積電容傳感器中，則有

由此可見，差動脈寬調(diào)制電路適用于變極板距離以及變面積差動式電容傳感器，并具有線性特性，且轉(zhuǎn)換效率高，經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出，調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一三.電容式傳感器的應(yīng)用1電容式壓力傳感器差動式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一2電容式加速度傳感器差動式電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一3差動式電容測厚傳感器

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(cè)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(gòu)成了兩個電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)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，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一

差動式電容測厚傳感器的測量原理框圖如圖所示。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(biāo)準(zhǔn)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，即可用指示電表指示出帶材厚度的變化。第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一*交流電橋電路VZ1Z2Z3Z4?△V?

將電容傳感器接入電橋的一個臂，不平衡電橋輸出：

為使橋路平衡，在四個橋臂上必須接入兩個電容（一個單極電容傳感器和一個固定電容，或接入差動電容傳感器）。另外兩個橋臂接入其他阻抗元件，如：兩個電阻、兩個電感或是兩個電容。第四十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期一汽車氣囊的保護作用

使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊