第四章_电容式传感器.ppt

2023/1/211第第4 4章章 电容式传感器电容式传感器2023/1/212引言引言n电容式传感器是将被测非电量的变化转电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器。化为电容变化量的一种传感器。n结构简单、分辨力高、可非接触测量，结构简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作件下工作。n很有发展前途的传感器很有发展前途的传感器。2023/1/2134.1电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理n由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为n保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数，保持其中两个参数不变，仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。过测量电路就可转换为电量输出。n电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式积式和变介质式3种类型。种类型。2023/1/2144.1 变面积式电容传感器变面积式电容传感器 n面积变化式电容传感器在工作时的极距、面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。效作用面积发生改变。n变面积式电容传感器的两个极板中，一变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。是可移动的，称为动极板。2023/1/215面积变化型电容传感器原理面积变化型电容传感器原理 1.直直线线位移型位移型2023/1/216面积变化型电容传感器原理面积变化型电容传感器原理 2.角位移型角位移型n电容改变量与角位移呈线性关系电容改变量与角位移呈线性关系 2023/1/218面积变化型电容传感器原理面积变化型电容传感器原理 3.圆筒型圆筒型2023/1/2194.1.2 变极距式电容传感器变极距式电容传感器当改变电容器两极板间的距离时，电容器的电容也会发生变化。n简化：简化：n近似直线关系近似直线关系 击穿问题击穿问题n一般极板间距在一般极板间距在25200um范围内，而最大范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。传感器主要用于微位移测量。2023/1/2112差动结构形式差动结构形式 n提高测量精度提高测量精度，减少动极板与定极板之，减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误间的相对极距可能变化而引起的测量误差。差。差动的好处差动的好处n灵敏度得到一倍的改善灵敏度得到一倍的改善n线性度得到改善线性度得到改善2023/1/2114 4.1.3 变介质式电容传感器变介质式电容传感器 n介质变化型电容传感器的极距、有效作介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。间的介质情况发生变化。n主要用来测量两极板之间的介质的某些主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。液位等。2023/1/2115介质变化型电容传感器结构介质变化型电容传感器结构 n1.位移型位移型2023/1/2116介质变化型电容传感器结构介质变化型电容传感器结构 n2.液位型液位型变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器n电容增量与被测液位的高度成线性关系电容增量与被测液位的高度成线性关系 2023/1/2118结论结论n传感器的灵敏度为常数，电容传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与理论上与液面液面h成线性关系，只要测出传感器电容成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位的大小，就可得到液位h。当电容传感器处于初始位置时，电桥平衡，电桥输出电压 ；当被测量的变化引起电容传感器的电容发生变化时，电桥失去平衡，电桥有电压输出，即 。2023/1/21194.2 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n常用电路有常用电路有:电桥电路、运算放大器测量电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。电路、脉冲调制电路、调频电路。n1.电桥电路电桥电路。2023/1/21204.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n1.电桥电路电桥电路为了提高灵敏度，减小误差，常采用差动形式，为了提高灵敏度，减小误差，常采用差动形式，其电路如图所示。其电路如图所示。Cx1和和Cx2表示差动式电容传感器表示差动式电容传感器的两个电容。的两个电容。变压器式交流电桥2023/1/21224.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n1.电桥电路电桥电路-电桥测量电路框图电桥测量电路框图2023/1/21234.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n2.二极管双二极管双T形交流电桥形交流电桥 二极管双二极管双T形交流电桥电路原理如图形交流电桥电路原理如图4-12所示。图中，所示。图中，C1、C2为差动电容式传感器的电容，为差动电容式传感器的电容，RL为负载电阻，为负载电阻，VD1、VD2为理想二极管，为理想二极管，R1、R2为固定电阻；为固定电阻；e为高频电源，为高频电源，它提供幅值为它提供幅值为Ue的对称方波。的对称方波。二极管双二极管双T型交流电桥型交流电桥n当传感器没有输入时，C1C2n一个周期内流过负一个周期内流过负载的平均电流为载的平均电流为0n当传感器有输入时，当传感器有输入时，C1！C22023/1/21254.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n3.运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路 运算放大器的特点就是放大倍数运算放大器的特点就是放大倍数A很大，输入阻抗也很大。理想的运算放很大，输入阻抗也很大。理想的运算放大器的放大倍数和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这些特点就可大器的放大倍数和输入阻抗都是无穷大。利用运算放大器的这些特点就可作为电容式传感器的测量电路，来解决单个变极距式电容器传感器的非线作为电容式传感器的测量电路，来解决单个变极距式电容器传感器的非线性问题。运算放大器式测量电路如图所示。图中，性问题。运算放大器式测量电路如图所示。图中，C为总的输入电容，为总的输入电容，Cx是电容传感器。是电容传感器。运算放大器运算放大器n对平板电容器：对平板电容器：n输出电压与输入位移间存在线性关系输出电压与输入位移间存在线性关系 2023/1/21274.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n4.调频电路调频电路:把电容式传感器作为振荡器谐振电路把电容式传感器作为振荡器谐振电路的一部分，其部分电路如图所示。当被测量引起电容的一部分，其部分电路如图所示。当被测量引起电容量变化时，振荡器的振荡频率就会发生变化，然后通量变化时，振荡器的振荡频率就会发生变化，然后通过鉴频器把频率的变化转换为幅值的变化，再经过放过鉴频器把频率的变化转换为幅值的变化，再经过放大后就可以通过仪表显示出来。大后就可以通过仪表显示出来。调频电路具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量。易于用数字仪器测量，并能与计算机通讯，抗干扰能力强。n调频电路调频电路2023/1/21294.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n5.谐振电路谐振电路:振荡器提供稳定的高频信号通过振荡器提供稳定的高频信号通过L1、C1回回路选频，再通过电感耦合到路选频，再通过电感耦合到LCx谐振回路。当传感器电容谐振回路。当传感器电容Cx发生变化时，则引起谐振回路阻抗的变化，而这个变化会使发生变化时，则引起谐振回路阻抗的变化，而这个变化会使整流器的电流发生变化。变化的电流再经放大器放大后就可整流器的电流发生变化。变化的电流再经放大器放大后就可通过仪表显示被测量的变化。通过仪表显示被测量的变化。谐振电路的灵敏度较高，但工作点不易选择，变化范围较窄。2023/1/21304.2电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路n6.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路n变极距型：变极距型：n变面积型：变面积型：n差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性。差动电容传感器，且为线性特性。2023/1/21334.3 电容式传感器的误差及制作要求电容式传感器的误差及制作要求n4.3.1 电容式传感器的误差因素电容式传感器的误差因素n1.温度的影响温度的影响n3.寄生电容的影响寄生电容的影响n2.漏电阻的影响漏电阻的影响2023/1/21344.3 电容式传感器的误差及电容式传感器的误差及制作要求制作要求n4.3.2 电容式传感器的制作要求电容式传感器的制作要求n1）传感器的电容值要尽量的大些。目的在于降低输传感器的电容值要尽量的大些。目的在于降低输出阻抗及对绝缘材料的要求，提高灵敏度。出阻抗及对绝缘材料的要求，提高灵敏度。n（2）要采用介电常数大的电介质材料。要采用介电常数大的电介质材料。n（3）要选用膨胀系数小的材料作为电极。目的在于要选用膨胀系数小的材料作为电极。目的在于减小温度附加误差。减小温度附加误差。n（4）要求电源的频率不应过低。目的在于减小输出要求电源的频率不应过低。目的在于减小输出阻抗，提高灵敏度。一般不应小于阻抗，提高灵敏度。一般不应小于5001000Hz。n（5）要求传感器及引线要采用屏蔽措施。目的在于要求传感器及引线要采用屏蔽措施。目的在于消除寄生电容的影响，提高灵敏度。消除寄生电容的影响，提高灵敏度。2023/1/21354.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用n电容式传感器不但应用于位移、振动、电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。料位、湿度、成分含量等参数的测量。2023/1/21364.4.1 电容式压力传感器电容式压力传感器n电容式压力传感器是将由被测压力引起的弹性电容式压力传感器是将由被测压力引起的弹性元件的位移变化转变为电容的变化来实现测量元件的位移变化转变为电容的变化来实现测量的。的。2023/1/21374.4.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器n电容式加速度传感器是将被测物的振动转换为电容式加速度传感器是将被测物的振动转换为电容量变化，其结构示意图如图电容量变化，其结构示意图如图4-19所示所示2023/1/21384.4.3 电容式湿度传感器电容式湿度传感器n电容式湿度传感器是通过改变传感器中电介质电容式湿度传感器是通过改变传感器中电介质的介电常数，从而引起电容量的变化来实现测的介电常数，从而引起电容量的变化来实现测量的。量的。2023/1/21394.4.4 电容式荷重传感器电容式荷重传感器n电容式荷重传感器是利用弹性元件的变形，致电容式荷重传感器是利用弹性元件的变形，致使电容随外加载荷的变化而变化。使电容随外加载荷的变化而变化。2023/1/21404.4.5 电容式厚度传感器电容式厚度传感器n1.电容式测厚仪电容式测厚仪2023/1/21414.4.5 电容式厚度传感器电容式厚度传感器n2.电容式厚度传感器电容式厚度传感器2023/1/21424.4.6 电容式位移传感器电容式位移传感器n电容式位移传感器就是通过改变电容器极板间电容式位移传感器就是通过改变电容器极板间的距离引起电容量的变化来实现测量的。通常的距离引起电容量的变化来实现测量的。通常采用的是一种单极变极距式。采用的是一种单极变极距式。2023/1/21434.5 电容栅式传感器电容栅式传感器n电容栅式传感器是在电容式传感器基础上发展电容栅式传感器是在电容式传感器基础上发展起来的一种传感器。它具有电容式传感器的优起来的一种传感器。它具有电容式传感器的优点，当然它也有其自身的特点，如抗干扰能力点，当然它也有其自身的特点，如抗干扰能力强、精度高和量程大等特点。强、精度高和量程大等特点。2023/1/21444.5.1 基本类型及原理基本类型及原理n1.基本类型及原理基本类型及原理2023/1/21454.5.1 基本类型及原理基本类型及原理n2.电容栅极片的结构形式电容栅极片的结构形式（a）动尺2023/1/21464.5.2 测量电路测量电路电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电路，以得到调幅或调相信号。2023/1/21474.5.2 测量电路测量电路电容栅式传感器可采用调幅或调相式测量电路，以得到调幅或调相信号。2023/1/2148附：电容式接近开关附：电容式接近开关1检测极板 2充填树脂 3测量转换电路 4塑料外壳5灵敏度调节电位器 6工作指示灯 7信号电缆2023/1/2149工作过程（工作过程（1）n检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量极时，检测板与大地间的电容量C非常小，它非常小，它与电感与电感L构成高品质因数（构成高品质因数（Q）的）的LC振荡电路，振荡电路，Q=1（CR）。当被检测物体为地电位的导）。当被检测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）时，检测极板对地电容等）时，检测极板对地电容C增大，增大，LC振荡电振荡电路的路的Q值将下降，导致振荡器停振。值将下降，导致振荡器停振。2023/1/2150工作过程（工作过程（2）n当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效电容量增大，使对地等效电容量增大，使LC振荡电路的振荡电路的Q值降值降低。对能量损耗较大的介质（如各种含水有机低。对能量损耗较大的介质（如各种含水有机物），它在高频交变极化过程中是需要消耗一物），它在高频交变极化过程中是需要消耗一定能量的，该能量是由定能量的，该能量是由LC振荡电路提供的，必振荡电路提供的，必然使然使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的小。当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的Q值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压U0的大小，可大致判定被测物接近的程度。的大小，可大致判定被测物接近的程度。2023/1/2151电容式接近开关