智能傳感與檢測技術(shù) 課件 第2章電容式傳感器

機械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS電容傳感器第2章智能傳感與檢測技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6電容傳感器02智能傳感與檢測技術(shù)電容式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.1電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路2.2電容式傳感器的應(yīng)用實例2.32.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)請輸入您的標題電容傳感器02電容傳感器的工作原理可以用平板電容器來說明。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容為：式中A——兩極板相互遮蓋的有效面積（m2）；d——兩極板間的距離，也稱為極距（m）；ε

——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m）；εr——兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù),ε0=8.85

10-12(F/m)智能傳感與檢測技術(shù)電容傳感器02由式可知，電容量C與A、d、ε三個參量有關(guān)。當(dāng)改變A、d、ε三個參量中的任意一個量，都會引起電容C的變化。

若保持其中任意兩個參量不變，只改變另一個參量，那么該參量的變化就能轉(zhuǎn)換為電容量的變化，這就是電容傳感器的基本工作原理。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測技術(shù)電容傳感器02根據(jù)引起電容量變化的參量的不同，電容傳感器可以分為三種類型：改變遮蓋面積型電容傳感器變極距型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測技術(shù)2.1.1變遮蓋面積型電容式傳感器電容傳感器02

圖（a）是直線位移式結(jié)構(gòu)，極板A固定不動，稱為定極板，極板B能夠左右移動，稱為動極板，與被測物相連。當(dāng)被測物移動時會帶動極板B發(fā)生位移，從而改變與定極板A的相互遮蓋面積，使兩極板間的電容量發(fā)生變化。

圖（b）是角位移式結(jié)構(gòu)，當(dāng)動極板圍著轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，兩極板的遮蓋面積會發(fā)生變化。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測技術(shù)2.1.2變極距型電容式傳感器電容傳感器02當(dāng)動極板隨著被測物體發(fā)生位移時，兩極板之間的距離d就會發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化。實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測技術(shù)2.1.2變極距型電容式傳感器電容傳感器02

一般變極距型電容傳感器的起始電容在20-30pF，極板間距在25-200um，最大位移通常小于極距的1/10。所以，在實際應(yīng)用時，為了減小非線性，提高靈敏度，多采用差動式結(jié)構(gòu)，如圖所示。在差動式變極距型電容傳感器中，上下兩個極板為定極板，中間極板為動極板。當(dāng)動極板向上移動后，C1的極距變減小，電容量增加，而C2的極距增大，電容量減小，二者形成差動變化，經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路后，其靈敏度提高1倍，非線性誤差也會大大降低。此外，差動式電容傳感器能減小由引力給測量帶來的影響，并有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測技術(shù)2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器電容傳感器02因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。

變介電常數(shù)型電容式傳感器可以用來測量位移、液位、物位等參數(shù)。

上下兩極板保持相互遮蓋面積和極距不變，相對介電常數(shù)為εr2的電介質(zhì)插入電容器中的深度發(fā)生變化時，兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積也會發(fā)生變化，從而使電容器的電容量發(fā)生變化。被測介質(zhì)εr2進入極板間的深度與引起電容量的變化成線性關(guān)系。2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)智能傳感與檢測技術(shù)2.1.3變介電常數(shù)型電容式傳感器電容傳感器02表中給出了幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)介質(zhì)相對介電常數(shù)介質(zhì)相對介電常數(shù)真空1干的紙2-4空氣略大于1干的谷物3-5聚四氟乙烯2.0云母5-8聚丙烯2-2.2二氧化硅38聚苯乙烯2.4-2.6高頻陶瓷10-160硅油2-3.5純凈的水80聚偏二氟乙烯3-5壓電陶瓷、低頻陶瓷1000-10000鹽6纖維素3.9

2.1電容傳感器的原理與結(jié)構(gòu)2.2.1調(diào)頻電路電容傳感器02調(diào)頻電路是將電容傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，振蕩器的頻率受電容傳感器電容的調(diào)制。當(dāng)被測參數(shù)變化導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，LC振蕩器的振蕩頻率就會發(fā)生變化，從而實現(xiàn)C/f轉(zhuǎn)換。圖為振蕩器調(diào)頻電路方框圖，振蕩器輸出頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)化電壓幅度的變化，經(jīng)過放大器放大、檢波之后就可以用儀表指示或用記錄儀器記錄下來。2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測技術(shù)2.2.1調(diào)頻電路電容傳感器02

振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：式中

L——振蕩回路的固定電感

C——振蕩回路總電容C包括振蕩回路的固有電容、傳感器的引線分布電容以及傳感器的電容，即2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測技術(shù)2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路電容傳感器02

2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測技術(shù)2.2.2脈沖寬度調(diào)制電路電容傳感器02

圖為電容傳感器的脈沖寬度調(diào)制電路。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出為高電平時，A點通過R1對C1充電，F(xiàn)點電位逐漸升高。Q在端為高電平期間，~Q端為低電平，電容C2通過低內(nèi)阻的二極管VD2迅速放電，G點電位被鉗制在低電平。當(dāng)F點電位升高超過參考電壓時，比較器A1產(chǎn)生一個“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點跳變?yōu)榈碗娢?，B點跳變?yōu)楦唠娢弧４藭rC1經(jīng)二極管VD1迅速放電，F(xiàn)點被鉗制在低電平，而同時B點高電位經(jīng)R2向C2充電。當(dāng)G點電位超過UR時，比較器A2產(chǎn)生一個“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，A點恢復(fù)為高電位，B點恢復(fù)為低電位。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個寬度受電容C1、C2調(diào)制的脈沖波形，實現(xiàn)C/U轉(zhuǎn)換。對于差動脈沖寬度調(diào)制電路，不論是改變平板電容器的極距或是極板相互遮蓋面積，其變化量與輸出量都呈線性關(guān)系。2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測技術(shù)2.2.3運算放大器電路電容傳感器02

運算放大器具有放大倍數(shù)非常大、輸入阻抗很高的特點，因而可以作為電容傳感器比較理想的測量電路，其電路圖如圖所示，Cx為電容傳感器。在放大倍數(shù)和輸入阻抗趨近于無窮大時，運算放大器的輸出電壓與動極板的機械位移d（即極板距離）呈線性關(guān)系，運算放大器電路解決了單個變極距型電容傳感器的非線性問題。由于實際使用的運算放大器的放大倍數(shù)K和輸入阻抗總是一個有限值，所以該測量電路仍然存在一定的非線性誤差，但在二者足夠大時，這種誤差非常小。2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測技術(shù)2.2.4電橋電路電容傳感器02

電橋初始狀態(tài)調(diào)至平衡，當(dāng)傳感器電容C變化時，電橋失去平衡而輸出電壓，此交流電壓的幅值隨C而變化。電橋輸出電壓為2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

這種交流電橋測量電路要求提供幅度合頻率很穩(wěn)定的交流電源，并要求電橋放大器的輸入阻抗Zi很高。智能傳感與檢測技術(shù)2.2.5雙T電橋電路電容傳感器02

雙T電橋電路具有以下特點：1.信號源、負載、傳感器電容和平衡電容有一個公共的接地點。2.二極管VD1和VD2工作在伏安特性的線性段。3.輸出電壓較高。4.電路的靈敏度與電源頻率有關(guān)，因此電源頻率需要穩(wěn)定。5.可以用作動態(tài)測量。2.2電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路智能傳感與檢測技術(shù)2.3.1電容料位計電容傳感器02

1、被測物料為導(dǎo)電體如圖所示，電容料位計以直徑為d的不銹鋼或紫銅棒做電極，外套聚四氟乙烯塑料絕緣套管。將其插在儲液罐中，此時導(dǎo)電介質(zhì)本身為外電極，內(nèi)、外電極極距為聚四氟乙烯塑料絕緣套管的厚度，當(dāng)料位發(fā)生變化時，內(nèi)、外極板的相對面積發(fā)生變化，從而使電容量隨之變化。2.3電容傳感器的應(yīng)用實例1——內(nèi)電極2——絕緣套管智能傳感與檢測技術(shù)2.3.1電容料位計電容傳感器02

2、被測物料為絕緣體如圖所示，電容料位計可采用裸電極作為內(nèi)電極，外套以開有液體流通孔的金屬外電極，通過絕緣環(huán)裝配。當(dāng)被測液體的液面在兩個電極間上下變化時，電極間介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)（上面部分為空氣，下面部分為被測液體）的高度發(fā)生變化，從而使得電容器的電容量改變。被側(cè)液位的高度正比于電容器電容量的變化。2.3電容傳感器的應(yīng)用實例1——內(nèi)電極2——絕緣套管3——絕緣環(huán)4——外電極智能傳感與檢測技術(shù)2.3.2電容測厚儀電容傳感器02

電容測厚儀工作原理如圖所示。在被測金屬帶材的上方和下方分別放置一塊面積相等、與帶材距離相等的定極板，則定極板與金屬帶材之間就形成了兩個電容器C1、C2，將兩個電容并聯(lián)，總電容為C=C1+C2。當(dāng)帶材的厚度發(fā)生變化時，就會引起兩電容器的極距增大或減小，從而使電容C發(fā)生變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓繖z測出來，通過放大電路放大，可由顯示儀器顯示出帶材厚度的變化。使用上下兩個極板是為了克服帶材在傳輸過程中的上下波動帶來的誤差。2.3電容傳感器的應(yīng)用實例智能傳感與檢測技術(shù)2.3.3差動式電容壓力傳感器電容傳感器02

圖示為一種小型差動式電容壓力傳感器。它由金屬彈性膜片與鍍金凹型玻璃圓片組成，被測壓力p1、p2分別通過上下兩個進氣孔進入空腔。當(dāng)兩側(cè)壓力p1=p2時，彈性膜片處在中間位置，與上下定極距離相等，因此兩個電容相等；當(dāng)p1>p2時，彈性膜片向上彎曲，兩個電容值一個增大、一個減小，且變化量相等；當(dāng)p1<p2時，壓差反向，差動電容的變化量也反向。電容值的變化量經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路最終轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對應(yīng)的電壓或者電流的變化。電容式差壓傳感器的靈敏度和分辨率都很高，其靈敏度取決于初始間隙d0，d0越小，靈敏度越高。2.3電容傳感器的應(yīng)用實例智能傳感與檢測技術(shù)2.3.4電容式濕度傳感器電容傳感器02

電容式濕度傳感器有效利用了兩個電極間的電容量隨濕度變化的特性，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-14所示。濕敏材料作為電介質(zhì)，在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極，當(dāng)相對濕度增大時，濕敏材料吸收空氣中的水蒸氣，使兩極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)增加（水的相對介電常數(shù)為80），從而使電容量增大。2.3電容