電容式傳感器的應(yīng)用課件

第四講電容式傳感器一、電容式傳感器的工作原理二、電容式傳感器的分類三、電容式傳感器的特性四、電容式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)五、電容式傳感器的測量電路六、電容式傳感器的應(yīng)用七、電容式傳感器的使用注意事項(xiàng)河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系第四講電容式傳感器一、電容式傳感器的工作原理河1一、電容式傳感器的工作原理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(shí)質(zhì)上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于壓力、位移、加速度、液位、成分含量等測量之中。一、電容式傳感器的工作原理電容式傳感器是將被測量的變2二、電容式傳感器的分類電容式傳感器變極距式變面積式變介質(zhì)式圖2-4-1電容式傳感器的分類二、電容式傳感器的分類電容式傳感器變極距式變面積式變介質(zhì)式圖31、變極距式電容式傳感器

三、電容式傳感器的特性圖2-4-2平板電容式傳感器a)變極距式示意圖b)變極距式的特性c）差動(dòng)式示意圖以平板電容為例：定極板動(dòng)極板極距改變d可以改變電容量。其特性為非線性，但若很小時(shí)，則可以近似為線性特性，而且具有很高的靈敏度。它還可以做成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，以提高靈敏度、減小非線性，如圖2-4-2所示。1、變極距式電容式傳感器三、電容式傳感器的特性圖2-4-24設(shè)極板面積為S，其靜態(tài)電容量為

討論只有當(dāng)x＜＜d時(shí)，則1）電容量C與x不是線性關(guān)系，只有當(dāng)x＜＜d時(shí)，才可認(rèn)為是最近似線形關(guān)系。當(dāng)活動(dòng)極板移動(dòng)x后，其電容量為設(shè)極板面積為S，其靜態(tài)電容量為54）一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來提高絕緣性。2）要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d過小。3）當(dāng)d過小時(shí)，又容易引起擊穿，同時(shí)加工精度要求也高了。5）在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性，可采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。4）一般在極板間放置云母、塑料膜等介電常數(shù)高的物質(zhì)來提高絕緣62、變面積式電容式傳感器

（1）直線位移型當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容量也隨之改變，其值為其靈敏度為變面積式電容傳感器的靈敏度為常數(shù)，即輸出與輸入呈線形關(guān)系。2、變面積式電容式傳感器（1）直線位移型當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)△x后7

當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化，此時(shí)電容值為

（2）角位移型當(dāng)θ=0時(shí)

當(dāng)θ≠0時(shí)傳感器電容量C與角位移θ間呈線性關(guān)系當(dāng)動(dòng)片有一角位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而8（3）圓柱型電容傳感器

當(dāng)動(dòng)極板有一線位移時(shí)，兩極板間覆蓋面積就發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量的變化：（3）圓柱型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板有一線位移時(shí)，兩極板間93、變介質(zhì)式電容式傳感器

當(dāng)電介質(zhì)改變時(shí)，電容量也會(huì)變化，可用下式表示。上圖為介質(zhì)變化的電容式傳感器。這種傳感器可用來測量物位或液位，也可測量位移。3、變介質(zhì)式電容式傳感器當(dāng)電介質(zhì)改變時(shí)，電容量也會(huì)10變介質(zhì)電容式液位傳感器外筒內(nèi)徑內(nèi)筒外徑傳感器總高度介質(zhì)高度傳感器的初始電容值為：有液體介質(zhì)后傳感器的電容值為：

可見，傳感器的電容增量與被測液位高度成正比。故這種傳感器可以測量液位、料位的高度。設(shè)被測介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為εr1，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為εr0＝1。變介質(zhì)電容式液位傳感器外筒內(nèi)徑內(nèi)筒外徑傳感器總高度介質(zhì)高度傳11四、電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn): 1.溫度穩(wěn)定性好

（電容值與電極材料無關(guān)本身發(fā)熱極小） 2.結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng) 3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 4.可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)四、電容式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):12動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小 可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度。可以做得很靈敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕 其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電 系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小13缺點(diǎn)：

1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差

傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106～108

。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響。

2、寄生電容影響大

傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度缺點(diǎn)： 1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差 2、寄生電容影響大14五、電容式傳感器的測量電路常用電路有:

交流電橋、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路、雙T電橋電路等。1、交流電橋圖2-4-3a)單臂電容電橋b)差動(dòng)電容電橋五、電容式傳感器的測量電路常用電路有:1、交流電橋圖2-4-15

電路原理如圖2-4-4所示。圖中C、CX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，R為固定電阻。2、雙T電橋電路

原理：當(dāng)VD1導(dǎo)通、VD2截止時(shí)C充電；反之VD1截止、VD2導(dǎo)通時(shí)CX充電，由圖中可以看出，一路通過R、RL、VD1，另一路通過R、RL、VD2，這時(shí)流過RL的電流為i。若C或CX變化時(shí)，在負(fù)載RL上產(chǎn)生的平均電流將不為零，因而有信號(hào)輸出。圖2-4-4雙T電橋電路電路原理如圖2-4-4所示。圖中C、CX為差動(dòng)電容式163、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖2-4-5差接脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化通過低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測量變化的直流信號(hào)3、差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路圖2-4-5差接脈沖調(diào)寬電路利用對(duì)傳17

當(dāng)Cx1=Cx2時(shí)，兩個(gè)電容充電時(shí)間常數(shù)相等，兩個(gè)輸出脈沖寬度相等輸出電壓的平均值為零。反之不為零，且T1正比于Cx1，而T2正比于Cx2，輸出電壓為可見，輸出電壓與電容變化成線性關(guān)系。

分析當(dāng)Cx1=Cx2時(shí)，兩個(gè)電容充電時(shí)間常數(shù)相等18差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路電壓波形差動(dòng)脈19設(shè)電容CX1和CX2的極間距離和面積分別為d1、d2和S1、S2

差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何 差動(dòng)式電容式傳感器 并具有理論上的線性特性設(shè)電容CX1和CX2的極間距離和面積分別為d1、d2和S1、20六、電容式傳感器的應(yīng)用P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)；能測微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。上一頁返回下一頁1、電容式差壓傳感器六、電容式傳感器的應(yīng)用P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p21231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體2、電容式加速度傳感器精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度。

231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－22

電容測厚傳感器是用來對(duì)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(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個(gè)極，而帶材就是電容的另一個(gè)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。3、差動(dòng)式電容測厚傳感器電容測厚傳感器是用來對(duì)金屬帶材在軋制過程中厚23圖2-4-6差動(dòng)式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖

圖2-4-6差動(dòng)式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖244、電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。聚四氟乙烯外套4、電容式液位計(jì)棒狀電極（金屬管）外面包25七、電容式傳感器的使用注意事項(xiàng)1）擊穿電壓

電容式傳感器極板之間的空氣隙d