《自动检测技术及应用》第4章-电容式传感器及其应用课件

9/29/20221本章学习本章学习电容式电容式传感器的传感器的工作原理、测量转换电路及其工作原理、测量转换电路及其应用。应用。9/29/20222电容式传感器 定义：将被测非电量的变化转换为电容量定义：将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。变化的传感器。应用：位移、加速度、液位、振动及湿应用：位移、加速度、液位、振动及湿度。度。9/29/202234.14.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理及结构形式及结构形式9/29/20224 A极板相对覆盖面；极板相对覆盖面；d d 极板间距离；极板间距离；r r相对介电常数；相对介电常数；0 0真空介电常数；真空介电常数；0 8.85410-12(F/m)电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。=0 0 r r S0 rAACdd 一、工作原理一、工作原理由物理学可知，由两平行板组成的平行板电容器，如由物理学可知，由两平行板组成的平行板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：果不考虑边缘效应，其电容量为：d dA9/29/20225 请思考请思考：上式中，哪几个参量是变量？可上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？以做成哪几种类型的电容传感器？0 rAACdd 两平行板组成的平行板电容器，两平行板组成的平行板电容器，电容传感电容传感器的基本理想公式为：器的基本理想公式为：9/29/20226 改变改变A A、d d、三个参量中的任意一个量，均可三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量使平板电容的电容量C C 改变。改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。电容传感器。0 rAACdd 9/29/202271、变面积（、变面积（A）式电容传感器）式电容传感器图图a a是平板形直线位移式结构，其中极板是平板形直线位移式结构，其中极板1 1可以左右移动，可以左右移动，称为动极板。极板称为动极板。极板2 2固定不动，称为定极板。固定不动，称为定极板。图图b b是一个角位移式的结构。极板是一个角位移式的结构。极板1 1的轴由被测物体带动而的轴由被测物体带动而旋转一个角位移旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积A A就减小，因而就减小，因而电容量也随之减小。电容量也随之减小。图图c c是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。外圆筒内作上、下直线运动。9/29/20228可见，可见，增加极板宽度增加极板宽度b b，减小两板间距减小两板间距d d都可以提高都可以提高传感器的灵敏度。但传感器的灵敏度。但d d太小时，容易引起短路太小时，容易引起短路。此传感器的灵敏度此传感器的灵敏度K K可用下式求得可用下式求得dbddCKxx对于对于图图a a平板形位移电容传感器，当动极板移动平板形位移电容传感器，当动极板移动x x后：后：axCdxabCx1)(0C C0 0初始电容值初始电容值灵敏度为常数灵敏度为常数线性关系线性关系9/29/20229 变面积式电容传感器的输出特性是变面积式电容传感器的输出特性是线性线性的，的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。移、角位移、尺寸等参量。你能否画出变面积式电容传感器的输出特性你能否画出变面积式电容传感器的输出特性曲线曲线?9/29/202210 当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离极板之间的距离d d，从而使电容量发生变化。，从而使电容量发生变化。2 2、变极距（、变极距（d d）式电容传感器）式电容传感器结构示意图结构示意图极板极板1 1为定极板为定极板极板极板2 2为动极板为动极板9/29/202211电容量电容量C Cx x与与d d不是不是线性关系，其灵敏线性关系，其灵敏度也不是常数。度也不是常数。从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d d0 0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距距d d0 0较小时，它的测量范围变大还是变小？较小时，它的测量范围变大还是变小？0 rAACdd 由电容的表达式：由电容的表达式：9/29/202212 当当d d0 0较小时，该种类型的传感器较小时，该种类型的传感器灵敏度较高灵敏度较高，微，微小的位移即可产生较大的电容变化量。小的位移即可产生较大的电容变化量。实际使用时，总是使初始极距实际使用时，总是使初始极距d0 0尽量小些，以提尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较行程较小小的缺点。的缺点。故该类传感器只适用于故该类传感器只适用于微米微米数量级的位移测量。数量级的位移测量。结论：结论：9/29/2022133、变介电常数（变介电常数（）式电容传感器）式电容传感器 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数9/29/202214 根据上表，根据上表，分析分析不同介质对变介电常数电容不同介质对变介电常数电容器的影响。器的影响。请问：请问：在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？量什么非电量？9/29/202215根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度。根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度。下图为电容液位计，同心下图为电容液位计，同心圆柱状极板，插入液体深圆柱状极板，插入液体深度度h h，两极板间构成电容，两极板间构成电容式传感器。式传感器。12ccc0 rAACdd 根据：根据：输出电容输出电容C C与与液面高度液面高度h h成线性关系成线性关系。9/29/202216 当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大，因而电容量增大。反之当液位下降，加大，因而电容量增大。反之当液位下降，值值减小，电容量也减小。减小，电容量也减小。所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两两种介电常数的差值种介电常数的差值。9/29/2022174、差动电容传感器、差动电容传感器 在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成小非线性，常常把传感器做成差动形式差动形式。变极距式差变极距式差动电容器动电容器 旋转形差旋转形差动电容器动电容器 圆柱形差圆柱形差动电容器动电容器 9/29/202218如图如图a)，中间的极板为动极板，上下两块，中间的极板为动极板，上下两块为定极板。为定极板。当动极板向上移动当动极板向上移动x x距离后，一边的间隙距离后，一边的间隙变为变为d d-x x，而另一边则为，而另一边则为d d+x x。电容。电容C C1 1和和C C2 2成差动变化，即其中一个电容量增加，而成差动变化，即其中一个电容量增加，而另一个电容量则相应减小。将另一个电容量则相应减小。将C C1 1、C C2 2接成差接成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。动形式后，能使灵敏度提高一倍。请思考请思考：我们已经学习了哪些差动形式？：我们已经学习了哪些差动形式？9/29/2022199/29/2022204.24.2 电容式传感器的电容式传感器的测量转换电路测量转换电路 9/29/202221 转换电路实现将转换电路实现将微小的电容变化微小的电容变化转换为转换为电压、电压、电流或频率电流或频率等信号。等信号。电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双放大器式电路、二极管双T T型交流电桥等。型交流电桥等。被测非电量被测非电量电容变化电容变化电量电量电容式电容式传感器传感器转换电路转换电路9/29/202222一、一、电桥电路电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。二次线圈。9/29/202223、单臂接法的桥式测量电路（图、单臂接法的桥式测量电路（图a a）电容电容C C1 1、C C2 2、C C3 3、C Cx x构成电桥的四臂，构成电桥的四臂，C CX X为为电容传感器电容传感器,交流电桥平衡时有：交流电桥平衡时有：C C1 1C C2 2C Cx xC C3 3此时，此时，U U0 0当当C Cx x改变时，改变时，U U0 000，有输出电压。，有输出电压。9/29/202224在图在图b)b)的电路中，接有差动电容传感器，其的电路中，接有差动电容传感器，其空载输出电压为：空载输出电压为：UCCUCCCCCCCCUCCCCUxxxx0000021210由于电桥输出的电压与电源电压成比例，因由于电桥输出的电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。频等措施。9/29/202225二、调频电路二、调频电路 调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为LCLC振荡器谐振回路振荡器谐振回路的一部分的一部分，当电容传感器工作时，电容当电容传感器工作时，电容C Cx x发生变化，发生变化，就使振荡器的频率就使振荡器的频率f 产生相应的变化。产生相应的变化。9/29/202226当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，的振荡频率随之改变，即即振荡器频率受传感器电容所调制振荡器频率受传感器电容所调制。调频电路的灵敏度高，抗干扰能力强。调频电路的灵敏度高，抗干扰能力强。LCf21调频振荡器的频率为：调频振荡器的频率为：振荡回路的电感振荡回路的电感振荡回路总电容振荡回路总电容9/29/202227请思考请思考：电容式传感器的调频电路与电涡流电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的调频电路有何区别？传感器的调频电路有何区别？式中哪些量是变量？式中哪些量是变量？9/29/202228 将电容器接入开环放大倍数为将电容器接入开环放大倍数为的运算放大电路的运算放大电路中，作为电路的反馈组件。中，作为电路的反馈组件。三、运算放大器式电路三、运算放大器式电路 图中图中U U是交流电源电压，是交流电源电压，C C是固定电容，是固定电容，C Cx x是是传感器电容，传感器电容，U Uo o是输出信号电压。是输出信号电压。传感器传感器电容电容9/29/202229UCCUCjCjUxxO11OUCUdA 由理想放大器的工作原理可得：由理想放大器的工作原理可得：结论结论：从原理上保证了：从原理上保证了变极距型变极距型电容式传感器的电容式传感器的线性线性。最大特点最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性。：能克服变极距型电容传感器的非线性。9/29/202230四、二极管四、二极管T T型网络型网络当电源处于正半周时当电源处于正半周时:VDVD2 2导通，导通，VDVD1 1截止，电截止，电容容C Cl l经经VDVD2 2迅速充电至迅速充电至电压电压E E，电源经，电源经R R1 1向负向负载电阻载电阻R RL L供电，与此供电，与此同时，电容同时，电容C C2 2经经R R2 2和和R RL L放电，流经放电，流经R RL L的电流的电流 为这两电流之和。为这两电流之和。Li 这种双这种双T T型充放电网络是脉冲式测量电路的一种形式，型充放电网络是脉冲式测量电路的一种形式，其基本原理是利用其基本原理是利用电容的充放电电容的充放电。9/29/202231如果二极管如果二极管VDVD1 1和和VDVD2 2具有相同的特性，且具有相同的特性，且C C1 1C C2 2，R R1 1R R2 2，则两电流大小相等，方向，则两电流大小相等，方向相反，即流过相反，即流过R RL L的平均电流为零。的平均电流为零。那么那么C C1 1、C C2 2的任何变化都将使的任何变化都将使R RL L上有电流上有电流输出。输出。9/29/2022329/29/2022339/29/202234优点：优点：结构简单，适应性强，能在恶劣的环境条件下工作；结构简单，适应性强，能在恶劣的环境条件下工作；本身发热影响小，温度稳定性好；本身发热影响小，温度稳定性好；需要的作用能量小；解决输入能量低的信号的测量。需要的作用能量小；解决输入能量低的信号的测量。可获得较大的相对变化量；可获得较大的相对变化量；动态响应快；可用于测量高速变化的参数。动态响应快；可用于测量高速变化的参数。可实现非接触测量，具有平均效应。可实现非接触测量，具有平均效应。缺点：缺点：输入阻抗高，负载能力差；输入阻抗高，负载能力差；输出特性非线性；输出特性非线性；寄生电容的影响。寄生电容的影响。9/29/202235电容器的容量受三个因素影响，电容器的容量受三个因素影响，即：即：极距极距x、相对面积、相对面积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变固定其中两个变 量，电容量量，电容量C 就是另一个变量的就是另一个变量的一元函数。一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、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。参数来达到非电量电测的目的。9/29/2022361 1电容式应变计电容式应变计 在被测量的固定点上，在被测量的固定点上，装两个薄而低的拱弧，装两个薄而低的拱弧，方形电极固定在弧的中方形电极固定在弧的中央，两个拱弧的曲率略央，两个拱弧的曲率略有差别。有差别。当两固定点受压时变换当两固定点受压时变换电容值将减小（极间距电容值将减小（极间距增大）。增大）。9/29/2022372 2电容测厚仪电容测厚仪 如果总电容量如果总电容量C C作为交流电桥的一个臂，电容的变化将引起作为交流电桥的一个臂，电容的变化将引起电桥的不平衡输出，经过放大、检波、滤波，最后在仪表电桥的不平衡输出，经过放大、检波、滤波，最后在仪表上显示出带材的厚度。上显示出带材的厚度。把两块极板用导把两块极板用导线连起来就成为线连起来就成为一个极板，而带一个极板，而带材则是电容器的材则是电容器的另一极板，其总另一极板，其总电容电容C CC C1 1+C C2 29/29/2022383 3电容式荷重传感器电容式荷重传感器 当钢块端面承受重量当钢块端面承受重量F F时，圆孔将产生形变，从而使每个时，圆孔将产生形变，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容量的增值正比电容器的极板间距变小，电容量增大。电容量的增值正比于被测载荷于被测载荷F F。9/29/2022394 4湿度传感器湿度传感器当环境相对湿度改变时，当环境相对湿度改变时，高分子薄膜高分子薄膜通过网状下电极通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介电常数发生变化，吸收或放出水分，使高分子薄膜的介电常数发生变化，从而导致电容量变化从而导致电容量变化 。9/29/202240吸水高分子薄膜吸水高分子薄膜9/29/2022419/29/202242 电容式接近开关属于一种具有电容式接近开关属于一种具有开关量输出开关量输出的的位置传感器位置传感器，电容式传感器的感应由两个同电容式传感器的感应由两个同轴金属电极构成，很象轴金属电极构成，很象“打开的打开的”电容器电极，电容器电极，该两个电极构成一个电容。该两个电极构成一个电容。当物体移向接近开关时，物体和接近开关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路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。接通和关断。9/29/2022439/29/202244