传感器与检测技术-电容式传感器及应用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,电容式传感器及应用,2025/4/28,1,引言,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。,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件下工作。,很有发展前途的传感器。,2025/4/28,2,目录,3.1,电容式传感器工作原理及类型,3.2,电容式传感器的转换电路,3.3,电容式传感器的应用,2025/4/28,3,3.1,电容式传感器工作原理及类型,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,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，通过测量电路就可转换为电量输出。,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,3,种类型。,2025/4/28,4,3.1.1,变面积式电容传感器,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效作用面积发生改变。,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，另一个是可移动的，称为动极板。,2025/4/28,5,面积变化型电容传感器原理,2025/4/28,6,（,a,）为平板形位移电容传感器。,设两个相同极板的长为,b,，宽为,a,，极板间距离为,d,，当动极板移动,x,后，电容,Cx,也随之改变。,电容的相对变化量和灵敏度为,2025/4/28,7,差动结构形式,提高测量精度，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差。,中间极板移动变面积式电容传感器原理,2025/4/28,8,（,b,）为圆柱线位移电容传感器,灵敏度,K,也为一常数。,2025/4/28,9,（,c,）为角位移形式的电容传感器。,当动极板有一角位移时，两极板的相对面积,A,也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化,当 时,当 时,2025/4/28,10,推导过程,电容与角位移成线性关系。其灵敏度为,变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度,K,是一常数。,2025/4/28,11,3.1.2,变极距式电容传感器,两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则电容量,C,随极距,d,按非线性关系变化，,2025/4/28,12,电容值,动极板,2,未动时传感器初始电容,（）。,当动极板,2,移动,x,值后，,2025/4/28,13,结论分析,当 时,电容与,x,近似线性关系，但量程缩小很多，变极距式电容传感器的灵敏度为,2025/4/28,14,极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小灵敏度越高。但 过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。,原理上的非线性，要修正。,差动工作方式，电容传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了很大的改善，,2025/4/28,15,结论,极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高（可达,nm,级），适应于较小位移（,1nm,1,m,）的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容（如电缆电容、分布电容等）的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂,2025/4/28,16,3.1.3,变介电常数式电容传感器,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间的介质情况发生变化。,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、液位等。,2025/4/28,17,介质变化型电容传感器结构,2025/4/28,18,结论,传感器的灵敏度为常数，电容,C,理论上与液面,h,成线性关系，只要测出传感器电容,C,的大小，就可得到液位,h,。,2025/4/28,19,3.2,电容式传感器的转换电路,电容传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还需由后接的转换电路将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。,2025/4/28,20,转换电路的组成部分,1,交流电桥,2,调频电路,3,运算放大式电路,4,脉冲宽度调制电路,5,二极管双,T,型交流电桥,2025/4/28,21,1,交流电桥,将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由电阻,-,电容、电感,-,电容组成的交流电桥，图,3-6,为电感,-,电容电桥。,2025/4/28,22,分析,变压器的两个二次绕组,L1,、,L2,与差动电容传感器的两个电容,C1,、,C2,作为电桥的,4,个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，获得与被测量变化相对应的输出，最后为仪表显示记录。,2025/4/28,23,2,调频电路,把传感器接入调频振荡器的,LC,谐振网络中，被测量的变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化。频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。,2025/4/28,24,2,调频电路的特点,测量电路的灵敏度很高，可测,0.01,m,的位移变化量，抗干扰能力强（加入混频器后更强），缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，输出电压,U,0,与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂。,2025/4/28,25,3,运算放大式电路,极距变化型电容传感器的电容与极距之间的关系为反比关系，传感器存在原理上的非线性。利用运算放大器的反相比例运算可以使转换电路的输出电压与极距之间关系变为线性关系，从而使整个测试装置的非线性误差得到很大的减小。,2025/4/28,26,特点,运算式电路的原理较为简单，灵敏度和精度最高。但一般需用“驱动电缆”技术来消除电缆电容的影响，电路较为复杂且调整困难。,2025/4/28,27,4,脉冲宽度调制电路,脉冲宽度调制电路（,PWM,）是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。,2025/4/28,28,2025/4/28,29,特点,能获得线性输出；双稳态输出信号一般为,100kHz,1MHz,的矩形波，所以直流输出只需经滤波器简单引出，不需要解调器，即能获得直流输出。电路采用稳定度较高的直流电源，这比其他测量线路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电源易于做到。如果将双稳态触发器,Q,端的电压信号送到计算机的定时、计数引脚，则可以用软件来测出占空比,q,，从而计算出,C,的数值。这种直接采用数字处理的方法不受电源电压波动的影响,2025/4/28,30,5,二极管双,T,型交流电桥,二极管双,T,型交流电桥电路原理图。,e,是高频电源，它提供幅值为,Ui,的对称方波，,VD1,、,VD2,为特性完全相同的,2,个二极管，,R,1=,R,2=,R,，,C,1,、,C,2,为传感器的两个差动电容。,2025/4/28,31,3.3,电容式传感器的应用,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。,2025/4/28,32,分类,1,电容式接近开关,2,电容式油量表,3,电容式差压传感器,4,电容测厚仪,2025/4/28,33,1,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,2025/4/28,34,工作过程（,1,）,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,C,非常小，它与电感,L,构成高品质因数（,Q,）的,LC,振荡电路，,Q,=1,（,CR,）。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、液体等）时，检测极板对地电容,C,增大，,LC,振荡电路的,Q,值将下降，导致振荡器停振。,2025/4/28,35,工作过程（,2,）,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，使检测极板的对地等效电容量增大，使,LC,振荡电路的,Q,值降低。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定能量的，该能量是由,LC,振荡电路提供的，必然使,Q,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,Q,值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压,U,0,的大小，可大致判定被测物接近的程度。,2025/4/28,36,电容式接近开关,2025/4/28,37,2,电容式油量表,1,油料,2,电容器,3,伺服电机,4,减速器,5,指示表盘,2025/4/28,38,工作原理,当油箱中注入油时，液位上升至,h,处，电容的变化量,C,X,与,h,成正比，电容为,C,X=,C,X0+,C,X,。此时，电桥失去平衡，电桥的输出电压,U,0,经放大后驱动伺服电动机，由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动,RP,滑动，使,RP,的阻值增大，当,RP,阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，,U,0=0,，伺服电动机停转，指针停留在转角,X1,处。可从油量刻度盘上直接读出油位的高度,h,。,当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动,RP,滑动，使其阻值减少。当,RP,阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，,U,0=0,，于是伺服电动机再次停转，指针停留在转角,X2,处。如此，可判定油箱的油量。,2025/4/28,39,3,电容式差压传感器,1,弹性膜片,2,凹玻璃圆片,3,金属涂层,4,输出端子,5,空腔,6,过滤器,7,壳体,2025/4/28,40,工作原理,当被测压力通过过滤器,6,进入空腔,5,时，金属弹性膜片,1,在两侧压力差作用下，将凸向压力低的一侧。膜片和两个镀金玻璃圆片,2,之间的电容量发生变化，由此可测得压力差。这种传感器分辨率很高，常用于气、液的压力或压差及液位和流量的测量。,2025/4/28,41,电容式差压变送器外形,2025/4/28,42,4,电容测厚仪,1,金属带材,2,电容极板,3,传动轮,4,轧棍,2025/4/28,43,工作原理,被测金属带材与其两侧电容极板构成两个电容,C1,和,C2,，把两电容极板连接起来，它们和带材间的电容为。当带材厚度发生变化时，将会导致两个电容器,C,1,、,C,2,的极距发生变化，从而使电容值也随之变化。把变化的电容送到转换电路，最后由仪表指示出金属带材变化的厚度。,2025/4/28,44,