[工学]4-2电容传感器.ppt

§ § 4.3 电容传感器的等效电路 u若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激励的条件下 工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效 电路如下图所示1R：串联损耗电阻引线电阻、金属极板电阻等高频)Rp：并联电阻直流漏电阻、气隙介质损耗等低频）L：电容器及引线的动态电感高频）Cp：A、B两端的寄生电容C：传感器本身的电容等效电路分析2RpRLCü Rp与并联的 相比很大，故忽略并联大电 阻Rp ü R与串连的 相比很小，故忽略串连小电 阻R ü 高频情况下，L 对A、B端等效电容有影响等效电路分析3§所以 ü 改变电源频率、更换电缆，必须重新标定 ü 电容传感器测量必须在同样条件下进行传感器有效电容：CeRpRLCAB4§4-4 §4-4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路电容式电容式 传感器传感器测量电路测量电路被测非电量被测非电量U U、、I I、、f f电容电容5一、调频电路一、调频电路4.5.1 4.5.1 调制型电路调制型电路6谐 振 曲 线二、调幅电路二、调幅电路1 1、交流激励法、交流激励法7二、调幅电路二、调幅电路2 2、交流电桥法、交流电桥法 交流电桥的多种形式8üü 变压器式电桥变压器式电桥图（h）变压器式电桥9回路回路1 1回路回路2 2节点节点A A1011说明：v⑴RL→∞时，U=f(△d），成线性关系v⑵UO与E有关，所以必须交流稳压。

差动变极距型电容传感器：差动变极距型电容传感器：线性关系线性关系12（（1 1）双）双T T型充放电网络型充放电网络4.5.2 4.5.2 脉冲型电路脉冲型电路Ø u高频对称方波电源， C1、C2传感器差动电容 ，R1、R2固定电阻，RL 负载13Ø 双T型电路工作原理分析 • 正半周:D1导通D2截止C1充电； • 其等效电路为：14• 负半周:D1截止D2导通C2充电； • 其等效电路为：15若D1、D2特性相同，C1=C2, R1=R2，则流经RL的电流IL与 IL′平均值大小相等，方向相反 在一个周期内流过RL的平均电 流为零，无电压输出 在C1或C2变化时，RL产生电流 不为零，有电压输出：16v输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关, 而且与 T型网络中的电容C1和C2的差值有关 v当电源电压确定后, 输出电压Uo是电容C1和C2的函数 v电路的灵敏度与电源幅值和频率有关, 故输入电源要 求稳定17工作原理（工作过程）： Cx1、Cx2为差动式电容传感器, R1=R2, A1、A2为比较器当双稳态触发器Q=1, =0, A点高电位通过R1对Cx1充电, 时间常数为τ1 = R1 Cx1, 直至C点电位高于参考电位E，比较器A1输出负电平。

同时因 = 0, 电容器Cx2上充有电荷通过VD2放电至零电平二．脉冲调宽型电路 18A1输出负电平激励触发器翻转, 使Q = 0, = 1, 于是A点为低电位, Cx1通过VD1迅速放电, 而B点高电位通过R2对Cx2充电, 时间常数为τ2=R2Cx2, 直至D点电位高于参考电位E比较器A2输出正跳变信号, 使触发器发生翻转, 重复前述过程 19Ø 电路分析： 双稳态双稳态 的两个输出端各产生的两个输出端各产生 一调制脉冲，脉冲宽一调制脉冲，脉冲宽 度受度受C Cx x1 1、、C Cx x2 2调制UAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为 20Cx1、Cx2的充电时间设R1=R2=R，则得 结论结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 21设电容Cx1和Cx2的极板间距离和面积分别为d1、d2 和S1、S2 差动变极距型特性：特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式 电容式传感器并具有理论上的线性特性 同样， 对于差动变面积型22§4-5§4-5 电容式传感器的设计要点(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能 选材、结构、加工工艺选材、结构、加工工艺 电极电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上 喷镀金 或银（电极可做得薄，减小边缘效应） 电极支架电极支架：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并 具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石 英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架 电介质电介质 ：空气或云母 （介电常数温度系数近为0）传感器密封，用以防尘、防潮 采用差动结构差动结构、测量电路来减小温度等误差 23(2). 消除和减小边缘效应 ¨ 危害：灵敏度降低、 产生非线性 ¨ 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围24(3) 消除和减小寄生电容的影响①增加初始电容值：采用减小极板或极筒间的间距，增大工作面积来增大原始电容量。

使与其并联的寄生电容的影响可忽 略 ②接地和屏蔽 ③集成化：将传感器与测量电路做在一个壳体内 ④采用驱动电缆技术：在电容传感器与测量电路的前置级 之间采用双层屏蔽电缆，接入1：1放大器，输入接芯线，输出接 内屏蔽线，使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽线的容 性漏电，克服了寄生电容的影响25驱动电缆技术1：1测量 线路v内屏蔽与引线之间处于等电位，两者之间 没有电容联系v外屏蔽仍起屏蔽作用26⑤采用运算放大器法：K～27⑥整体屏蔽：将传感器、电源、转换电路、电缆用一个屏蔽壳 屏蔽起来，桥路两固定阻抗间为接地点，减小外部干扰，消除 电缆寄生电容的影响28(4) 防止和减少外界干扰（a）屏蔽和接地b）增加初始电容值，降低容抗c）导线间 分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线d）尽可能一点接地，避免多点接地（e) 尽量采用差分式电容传感器 29§4-6§4-6 电容式传感器的应用 电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积S 和极间介电常数 固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。

30一、差动电容式压差传感器§4-6§4-6 电容式传感器的应用图中所示 为一个金属动 膜片和两个在 凹形玻璃上电 镀成的固定电 极组成的差动 电容器 ￿￿ 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时, 形成的两个电容器的电容量, 一个增大, 一个减小3132它有两个固定极板（与壳体绝缘）, 中间有一用弹簧片支撑 的质量块, 此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在 垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移致使两电容一 个增加, 一个减小, 它们的差值正比于被测加速度 ￿￿￿￿二、 电容式加速度传感器1－固定电极； 2－绝缘垫； 3－质量块； 4－弹簧片； 5－输出端； 6－壳体33图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲34硅微加工加速度传感器原理 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层 结构。

在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电 容C1、C2图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动中 间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片其左端固定在 衬底上，所以相当于悬臂梁 35当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC 转换成直流输出电压它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质 量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度36三、电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大 聚四氟乙烯外套37电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量当液位到达设定值时，它输出低电平但也可以选择输出为高电平的型号38液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号设定按钮39电容式油量表 机械式油量表：在油箱内，装有类似 卫生间水箱里的浮球，通 过杠杆带动电阻丝式圆盘 电位器，由电流表指示出 油量。

40电容式油量表当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（ 示值减小），同时带动RP的滑动臂移动当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转， 指针停留在新的位置（ x 处）41投入式液位计用于测量液体的液位 42测量时，电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其它材料 空气的介电常数ε0＝l，被测物的介电常数为εr物位变化时， 电容器的电容变化值ΔC与被测材料的物位高度x成线性关系43Ø 电容式物位变送器探头与容器壁形成 一个电容器一般采用单电极式 Ø 电容极板（探头与容器壁）的表面积 、两极板之间的距离及被测物料的介电 常数决定电容量的大小 Ø 当探头固定安装于容器壁上后，被测 物料之介电常数不变时，此刻的电容量 仅取决于被测物料的高度，并与物位成 正比 Ø 通过变送器将测出的电容量转换为连 续的4~20mA模拟信号输出44电容量与料位的 关系：45六、电容式接近开关 电容式接近开关亦属于一种具有开关量输 出的位置传感器，它的测量头通常是构成 电容器的一个极板，而另一个极板是物体 的本身，当物体移向接近开关时，物体和 接近开关的介电常数发生变化，使得和测 量头相连的电路状态也随之发生变化，由 此便可控制开关的接通和关断。

齐 平 式非 齐 平 式46电容式接近开关外形全密封防水式远距离式（大量程）47电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示48¨ ¨四、四、电容式位移传感器电容式位移传感器 49其他应用50本章要点：•电容传感器工作原理和类型 •电容传感器测量电路 •电容式传感器的应用51。