电容式传感器ppt课件

第4章 电容式传感器 4.1 4.1 电容式传感器工作原理及分类电容式传感器工作原理及分类 4.2 4.2 测量电路测量电路 4.34.3电容式传感器的应用电容式传感器的应用 1F=101F=106 6F=10F=109 9 nF=10 nF=101212 pF pF 电容式传感器是将被测量的变化转换为电容电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率量变化的一种传感器，它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、高、抗过载能力大、动态特性好；且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。电容式传感器可用于测量压力、位移、振动电容式传感器可用于测量压力、位移、振动、液位、厚度。、液位、厚度。4.1 4.1 电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理 C=C=.S/d=.S/d=0.r.S/d .S/d =0.r C C为电容为电容 0=8.85=8.851010-12-12F/m F/m r为相对介电常数为相对介电常数 用用S S为极板相对覆盖面积为极板相对覆盖面积m m2 2 d d为极板间距为极板间距 电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介电容式传感器分为变面积式、变间隙式、变介电常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移电常数式三大类，其中变面积式可分为直线位移式、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常式、角位移式；变介电常数式可分为平面介电常数式、圆筒介电常数式。数式、圆筒介电常数式。4.1 4.1 电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理 4.1.1 4.1.1 变面积式电容传感变面积式电容传感器器 变面积式电容传感器的两个极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，另一个是可移动的，称为动极板。极板。1 1直线位移式直线位移式 电容的相对变化量和灵敏度为电容的相对变化量和灵敏度为 为提高测量精度，也常用如图为提高测量精度，也常用如图4.34.3所示的结构形式，以减少动极板所示的结构形式，以减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差。而引起的测量误差。图4.2 变面积型电容传感器原理图图4.3 中间极板移动变面积式电容传感器原理图0ax babxbCCCddd ()0CxCaCbKxd4.1 4.1 电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理 2 2角位移式角位移式 当被测的变化量使动极板有一角位移当被测的变化量使动极板有一角位移q 时，两极板间互相时，两极板间互相覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量覆盖的面积被改变，从而改变两极板间的电容量C。图4.4 角位移式电容传感器原理图 图4.5 差动角位移式电容传感器原理图 1SSCdd()在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵在实际应用中，也采用差动结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式结构如图敏度。角位移测量用的差动式结构如图4.54.5所示。所示。4.1.2 4.1.2 变间隙式电容传感变间隙式电容传感器器 基本结构电容的相对变化量和灵基本结构电容的相对变化量和灵敏度分别为敏度分别为 差动式电容的相对变化量和灵敏度差动式电容的相对变化量和灵敏度分别为分别为 与基本结构间隙式传感器相比，与基本结构间隙式传感器相比，差动式传感器的非线性误差减少了一个差动式传感器的非线性误差减少了一个数量级，而且提高了测量灵敏度，所以数量级，而且提高了测量灵敏度，所以在实际应用中被较多采用。在实际应用中被较多采用。图4.6 基本的变间隙式电容传感器图4.7 差动结构的变间隙电容传感器00CdCd0200CCSKddd002CdCd020022CCSKddd4.1.3 4.1.3 变介电常数式电容变介电常数式电容传感器传感器 1 1平面式平面式 电容变化量电容变化量C与位移与位移 x呈线性关系呈线性关系。若被测介质的介电常数若被测介质的介电常数 x x已知，已知，测出输出电容测出输出电容C的值，可求出待测材的值，可求出待测材料的厚度料的厚度x。若厚度。若厚度x已知，测出输出已知，测出输出电容电容C的值，也可求出待测材料的介的值，也可求出待测材料的介电常数电常数 x x。因此，可将此传感器用作。因此，可将此传感器用作介电常数介电常数 x x测量仪。测量仪。图4.8 平面式测位移传感器 图4.9 测厚仪 xadCCCr001xdSCCCCCxxx)(2121 2 2圆柱式圆柱式 电介质电容器大多采用圆柱式。电介质电容器大多采用圆柱式。其基本结构如图其基本结构如图4.104.10所示，内外筒为两所示，内外筒为两个同心圆筒，分别作为电容的两个极。个同心圆筒，分别作为电容的两个极。如图如图4.114.11所示为一种电容式液面所示为一种电容式液面计的原理图。在介电常数为计的原理图。在介电常数为 x x的被测液的被测液体中，放入该圆柱式电容器，液体上面体中，放入该圆柱式电容器，液体上面气体的介电常数为气体的介电常数为，液体浸没电极的，液体浸没电极的高度就是被测量高度就是被测量x。液面计的输出电容液面计的输出电容C与液面高度与液面高度x成成线性关系。线性关系。图4.10 圆柱式电容器结构图图4.11 电容式液面计2lnhCRrbxaCCC214.2 4.2 测量电路测量电路 4.2.1 4.2.1 调幅型电路调幅型电路 1 1交流电桥电路交流电桥电路 （1 1）单臂桥式电路）单臂桥式电路 （2 2）差动接法变压器交流电桥电路）差动接法变压器交流电桥电路 图4.12 单臂接法交流电桥电路图4.13 变压器交流电桥电路00oss000CCCCCUUUCCCCC()()()()2 2运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路 理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为理想运算放大器输出电压与输入电压之间的关系为 采用基本运算放大器的最大特点是电路输出电压与电容传感器采用基本运算放大器的最大特点是电路输出电压与电容传感器的极距成正比，使基本变间隙式电容传感器的输出特性具有线性特的极距成正比，使基本变间隙式电容传感器的输出特性具有线性特性。性。图4.14 运算放大器式测量电路 图4.15 调零电路0oixCuuC 0oiCuudS 4.2.2 4.2.2 差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路 电路的工作原理：利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲电路的工作原理：利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而变化，再通过低频滤波器的占空比随电容传感器的电容量变化而变化，再通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。得到对应于被测量变化的直流信号。图4.16 差动脉冲宽度调制电路（a）C1=C2 （b）C1 C2图4.17 电路各点的充放电波形 当电阻当电阻R1 1=R2 =R 时，则有时，则有 由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。由此可知，差动脉冲宽度调制型电路，其输出电压与电容变化成线性关系。12oH12CCUUCC4.2.3 4.2.3 调频电路调频电路 1 1载波频率改变的调幅调频式载波频率改变的调幅调频式 该测量电路把电容式传感器与一个电感元件配合，构成一个振荡该测量电路把电容式传感器与一个电感元件配合，构成一个振荡器谐振电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生器谐振电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变化。再经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放相应的变化。再经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后即可显示，这种方法称为调频法。大器放大后即可显示，这种方法称为调频法。调频振荡器的振荡频率调频振荡器的振荡频率 图4.18 调频-鉴频电路原理图 12fLC4.3 4.3 实际中存在的问题及其解决办法实际中存在的问题及其解决办法 1 1温度影响温度影响 应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板，如应尽量选择温度系数小且稳定的金属材料做电容器极板，如铁镍合金；此外，应采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿铁镍合金；此外，应采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。极板支承架应选择绝缘性能良好的材料，如陶瓷、石英等高极板支承架应选择绝缘性能良好的材料，如陶瓷、石英等高绝缘电阻、低吸湿性材料。绝缘电阻、低吸湿性材料。图4.19 极板周边加装同心圆环示意图 2 2电场的边缘效应电场的边缘效应 增加极板面积和减小极间距离可减增加极板面积和减小极间距离可减小边缘效应的影响；当检测精度要求很小边缘效应的影响；当检测精度要求很高时，可考虑加装等位环，如图高时，可考虑加装等位环，如图4.194.19所所示，即在极板周边外围的同一平面上加示，即在极板周边外围的同一平面上加装一个同心圆环，致使极板周边极间电装一个同心圆环，致使极板周边极间电场分布均匀，以消除边缘效应的影响。场分布均匀，以消除边缘效应的影响。3 3寄生电容的影响寄生电容的影响 （1 1）减小引线长度。）减小引线长度。（2 2）屏蔽。）屏蔽。4.4 4.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 1 1电容式位移传感器电容式位移传感器 采用了差动式结构。当测量杆随被测位移运动而带动活动电采用了差动式结构。当测量杆随被测位移运动而带动活动电极位移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化极位移时，导致活动电极与两个固定电极间的覆盖面积发生变化，其电容量也相应产生变化。，其电容量也相应产生变化。图4.20 变面积式位移传感器结构图 2 2电容式压力传感器电容式压力传感器 该压力传感器可用于测量微小压差。该压力传感器可用于测量微小压差。3 3电容测厚仪电容测厚仪 电容测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。在板材轧电容测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。在板材轧制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况。制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况。图4.21 差动电容式压力传感器原理图 图4.22 电容测厚仪工作原理小 结 变电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传变电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好感器。它具有结构简单、分辨率高、抗过载能力大、动态特性好等优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。等优点，且能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。只要固定平行板电容器只要固定平行板电容器3 3个参量个参量d d、S S、e e 中的两个，只要另外一中的两个，只要另外一个参数改变，则电容量就将产生变化，所以电容式传感器可以分个参数改变，则电容量就将产生变化，所以电容式传感器可以分成成3 3种类型：变面积式、变间隙式与变介电常数式。种类型：变面积式、变间隙式与变介电常数式。电容传感器的输出电容值一般十分微小，几乎都在几皮法至几电容传感器的输出电容值一般十分微小，几乎都在几皮法至几十皮法之间，因而必须借助于一些测量电路，将微小的电容值成十皮法之间，因而必须借助于一些测量电路，将微小的电容值成比例地转换为电压、电流或频率信号。选择测量电路时，可根据比例地转换为电压、电流或频率信号。选择测量电路时，可根据电容传感器的变化量，选择合适的电路。电容传感器的变化量，选择合适的电路。由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的影响，可能使由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的影响，可能使电容传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作，因此使用电容传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作，因此使用时要引起注意。时要引起注意。返回目录返回目录作业作业P73 1P73 1、3 3、4 4