第6講電容式傳感器

1、電容式傳感器電容式傳感器電容傳感器的工作原理電容傳感器的工作原理分類分類電容傳感器應用中需注意的問題電容傳感器應用中需注意的問題電容傳感器的測量電路電容傳感器的測量電路電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用電容式接近開關電容式接近開關電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感器被測參數(shù)：壓力、力、液位和振動學等。被測參數(shù)：壓力、力、液位和振動學等。 電容傳感器的概述電容傳感器的概述電容傳感器的工作原理電容傳感器的工作原理dSC+dA 變間隙型變面積型變介質(zhì)型電容式傳感器電容式傳感器變極距變極距( (）型型: (a)、(e) 變面積型變面積型(S)(S)型型: (b)、(c)

2、、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)變介電常數(shù)( )型型: （i）(l) 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 變變d d式電容傳感器式電容傳感器1 1定極板；定極板；2 2動極板；動極板；3 3介質(zhì)介質(zhì)1如圖所示是這種傳感器原理圖。如圖所示是這種傳感器原理圖。%100%100)/()/()1 (1)1 ()1 (1)1 ( 1)1(00202000010010100101000ddddddedAdCdCkddddddCCddddddCCddCCCCf1. 1. 若間隙減少，電容變化量：若間隙減少，電容變化量：電容相對變化量：電容相對變化量：2. 2. 若間隙增加，電容變化量：若間隙增

3、加，電容變化量：靈敏度靈敏度k k為：為：非線性誤差為：非線性誤差為： 平行極板電容器平行極板電容器C C 和和d d的關系的關系結論：電容相對變化結論：電容相對變化量以及非線性誤差均量以及非線性誤差均與間隙相對變化量有與間隙相對變化量有關；而其靈敏度僅與關；而其靈敏度僅與起始時的電容量和間起始時的電容量和間隙有關。隙有關。變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器abaCxCkaxCCdbxaCCC/)(00000這種傳感器的輸出特這種傳感器的輸出特性呈線性。因其量程不性呈線性。因其量程不受線性范圍限制，適合受線性范圍限制，適合于大直線位移測量。于大直線位移測量。1.1.平面直線位移型平面直線位移

4、型原理結構圖見圖所示。它與變間隙型不同的是被測原理結構圖見圖所示。它與變間隙型不同的是被測量通過動極板移動，引起兩極板有效覆蓋面積量通過動極板移動，引起兩極板有效覆蓋面積A A0 0改變，改變，從而使電容變化。從而使電容變化。2.2.角位移型角位移型+)1 ()1 (0CdAC電容傳感器的容量與投影面積的關系演示電容傳感器的容量與投影面積的關系演示 （3 3）園柱型電容傳感器）園柱型電容傳感器AC0dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始電容初始電容 電容與液位的關系為：電容與液位的關系為： 變極板間介質(zhì)的介電常數(shù)變極板間介質(zhì)的

5、介電常數(shù) 變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器測量對象：紙張、絕緣膜厚度、非導電固體物質(zhì)的測量對象：紙張、絕緣膜厚度、非導電固體物質(zhì)的濕度。濕度。變介質(zhì)面積型電容傳感器變介質(zhì)面積型電容傳感器振蕩電路振蕩電路感應電極感應電極被測物體被測物體例：電容式接近開關例：電容式接近開關電容傳感器的主要性能電容傳感器的主要性能1.1.靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度l被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量之比。測量之比。1 1）變極距型電容傳感器）變極距型電容傳感器3201dddddddCkgkg但但過小易

6、導致電容器擊穿過小易導致電容器擊穿( (空氣的擊穿電壓為空氣的擊穿電壓為3kv/mm) 3kv/mm) 在極間加一層云母片在極間加一層云母片( (擊穿電壓擊穿電壓10103 3kv/mm)kv/mm)或塑料膜來改或塑料膜來改善電容器耐壓性能善電容器耐壓性能 差動結構也可提高靈敏度差動結構也可提高靈敏度baCaCkg0b kg減小減小 、加云母片、增大、加云母片、增大b b、采用差動結構可提高靈敏度、采用差動結構可提高靈敏度2.非線性非線性CC 02311/CC0(/) 取值不能大，否則將降低靈敏度取值不能大，否則將降低靈敏度 mmm9.001.0)51101(要獲得較大靈敏度要獲得較大靈敏度k

7、 k，則應使，則應使d d0 0小，但小，但d d0 0太小時，太小時，電容的相對變化量和非線性誤差要增大。且電容的相對變化量和非線性誤差要增大。且d d0 0太太小，電容器易引起擊穿或短路，故小，電容器易引起擊穿或短路，故k k與與e ef f在在d d0 0取值取值時是矛盾的。時是矛盾的。解決方法：解決方法：1 1）電容器擊穿問題方法：可在定極板上（或極）電容器擊穿問題方法：可在定極板上（或極板間）放置一層介電常數(shù)值高的介電物質(zhì)，如云板間）放置一層介電常數(shù)值高的介電物質(zhì)，如云母、塑料等。母、塑料等。 變變d d型差動電容傳感器結構示意圖型差動電容傳感器結構示意圖2）實際應用中，為提高靈敏度

8、，減小非線性，以）實際應用中，為提高靈敏度，減小非線性，以便于連接測量電橋，一般采用差動式結構。便于連接測量電橋，一般采用差動式結構。采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量 CC21024差動式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高差動式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍了一倍 。如果采用容抗如果采用容抗 作為電容式傳感器輸出量作為電容式傳感器輸出量XCC1/() SCXc11 被測量與被測量與 成線性關系成線性關系 無需滿足無需滿足 優(yōu)點優(yōu)點: :1.1.溫度穩(wěn)定性好（電容值與電極材料無關本身發(fā)熱極小溫度穩(wěn)定性好（電容值與電極材料無關本身發(fā)熱極小

9、）2.2.結構簡單、適應性強結構簡單、適應性強3.3.動態(tài)響應好動態(tài)響應好 極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小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，可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受分辨率非常高，能感受0.001mm0.001mm甚至更小的位移甚至更小的位移 可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。特別適合動態(tài)測量。介質(zhì)損耗小，可

10、以用較高頻率供電介質(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、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、瞬時壓力等。瞬時壓力等。4. 可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應缺點：缺點：1.輸出阻抗高、負載能力差輸出阻抗高、負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，尤其當采用音頻范圍內(nèi)的百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達交流電源時，輸出阻抗高達106108 。因此傳感器負

11、載能力。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響差，易受外界干擾影響 。 2.寄生電容影響大寄生電容影響大 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體構成的電容等電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容方面這些電容(如電纜電容如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度。作不穩(wěn)定，影響測量精度。1 1）減小環(huán)境溫度濕度等

12、變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材）減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能料的絕緣性能 。 ：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應）銀（電極可做得薄，減小邊緣效應） ：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架 ：空氣或云母：空氣或云母 （介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0） 傳感器密封，用以防塵、防潮傳

13、感器密封，用以防塵、防潮 采用采用、測量電路來減小溫度等誤差、測量電路來減小溫度等誤差 2 2）消除和減小邊緣效應）消除和減小邊緣效應 。危害：靈敏度降低，產(chǎn)生非線性危害：靈敏度降低，產(chǎn)生非線性 。減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比很大，易產(chǎn)生減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比很大，易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍擊穿并有可能限制測量范圍 3 3）消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾）消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾 。屏蔽和接地屏蔽和接地 增加初始電容值，降低容抗。增加初始電容值，降低容抗。導線間分布電容有靜電感應，因此導線和導線要離得遠，導線間分布電容有靜電感應，因此

14、導線和導線要離得遠，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時可采線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時可采用同軸屏蔽線。用同軸屏蔽線。盡可能一點接地，避免多點接地盡可能一點接地，避免多點接地 4 4）盡可能采用差動式電容傳感器）盡可能采用差動式電容傳感器 。減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響，溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。響，溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路C C電容器電容電容器電容R RP P低頻損耗并聯(lián)電阻低頻損耗并聯(lián)電阻R RS S高溫、高濕、高頻勵磁工作時的串聯(lián)損耗電阻高

15、溫、高濕、高頻勵磁工作時的串聯(lián)損耗電阻L L電容器及引線電感電容器及引線電感C CP P寄生電容寄生電容電容傳感器的等效電路電容傳感器的等效電路電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路-調(diào)頻電路調(diào)頻電路)(212101CCCCLLCfi電容傳感器測量電路電容傳感器測量電路-運算放大器電路運算放大器電路：能克服變極距型電容傳感器的非線性。：能克服變極距型電容傳感器的非線性。Cx是傳感器電容是傳感器電容C是固定電容是固定電容u0是輸出電壓信號是輸出電壓信號 uC-ACxu0運算放大器式電路原理圖運算放大器式電路原理圖雙雙T T二極管等效電路二極管等效電路正半周等效正半周等效電路圖電路圖負半周等效負半周

16、等效電路圖電路圖雙雙T T二極管交流電橋二極管交流電橋RL如圖所示。它利用電容充放電原理組成。如圖所示。它利用電容充放電原理組成。電容傳感器的測量電路電容傳感器的測量電路-雙雙T二極管交流電橋二極管交流電橋電容傳感器的測量電路電容傳感器的測量電路-脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路QBQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等也不需要相敏檢波與解調(diào)等對元件無線性要求對元件無線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電

17、壓對輸出矩形波的純度要求也不高對輸出矩形波的純度要求也不高 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用1.1.電容法測泥料水分電容法測泥料水分2.2.電容測厚傳感器在板材軋制中的應用電容測厚傳感器在板材軋制中的應用CBRR0C1C2C1L2L電容式自平衡液位測量儀電容式自平衡液位測量儀電容式液位計電容式液位計n無油時，起始電容無油時，起始電容Cx=Cx0，若使，若使Cx0=C0，此時輸出，此時輸出為零，指針指零，電橋無輸出，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)為零，指針指零，電橋無輸出，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)E1Cx0=E2C0v油量變化時，油量變化時，Cx=Cx0+Cx Cx =k1h電橋不平衡電橋不平衡輸出輸出U放大放大

18、兩相電機轉(zhuǎn)動兩相電機轉(zhuǎn)動減速減速指針指示指針指示電位器電刷轉(zhuǎn)動電位器電刷轉(zhuǎn)動 改變改變E電橋恢復平衡電橋恢復平衡輸出電壓為零、電機停輸出電壓為零、電機停止轉(zhuǎn)動、指針停在某角度上。止轉(zhuǎn)動、指針停在某角度上。hkkCEEk21012線性電位器hkCECCEECEECCExxx101010201)()代入初始平衡條件：（在新的平衡位置：指針轉(zhuǎn)角與指針轉(zhuǎn)角與h h成線性關系成線性關系CCrrrrHrrhrrhHCCCxx012121211222122121)/ln(2)/ln(2)/ln(2)/ln(2）（電容式液位計電容式液位計設定按鈕設定按鈕智能化液位傳感器的設定智能化液位傳感器的設定方法：用手指壓住設定按方法：用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記放開按鈕，智能儀器就記住該設定。正常使用時，住該設定。正常使用時，當水位高于該點后，即可當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。發(fā)出