电容式传感器剖析课件

第八章第八章 电容式传感器电容式传感器8.1 8.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理8.2 8.2 分类分类8.3 8.3 电容传感器应用中需注意的问题电容传感器应用中需注意的问题8.4 8.4 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路8.5 8.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用8.1 8.1 电容传感器的工作原理电容传感器的工作原理+dA电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。变化的一种传感器。被测参数：压力、力、位移和振动学等。被测参数：压力、力、位移和振动学等。优点：结构简单、灵敏度好、动态响应好、可实优点：结构简单、灵敏度好、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应。现非接触测量、具有平均效应。由两平行极板组成由两平行极板组成一个电容器，若忽视其边缘效应，电容量表示为：一个电容器，若忽视其边缘效应，电容量表示为：图图8 81 1 平面位移型电容平面位移型电容 这种传感器的输出特性呈这种传感器的输出特性呈线性。因其量程不受线性范线性。因其量程不受线性范围限制，适合于大直线位移围限制，适合于大直线位移测量。测量。一一.变面积型电容器变面积型电容器1.1.平面直线位移型平面直线位移型原理结构图见图原理结构图见图8 81 1所示。它与变极距型不同的是被所示。它与变极距型不同的是被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A A0 0改变，改变，从而使电容变化。从而使电容变化。8.2 8.2 分类分类2.2.角位移型角位移型其结构图见图其结构图见图8 82 2所示。所示。图图8 82 2 角位移电容式传感器原理图角位移电容式传感器原理图图图8 83 3 变介质面积型电容传感器变介质面积型电容传感器二、变介质型二、变介质型测量对象：纸张、绝缘膜厚度、非导电固体物质测量对象：纸张、绝缘膜厚度、非导电固体物质的湿度。的湿度。图图8 84 4 变极距变极距d d式电容传感器式电容传感器1 1定极板；定极板；2 2动极板；动极板；3 3介质介质1三三.变极距型电容传感器变极距型电容传感器如图如图8 84 4所示是这种传感器原理图。所示是这种传感器原理图。1.若极距减少，电容变化量：若极距减少，电容变化量：电容相对变化量：电容相对变化量：2.若极距增加，电容变化量：若极距增加，电容变化量：灵敏度灵敏度k k为：为：非线性误差为：非线性误差为：图图8 85 5 平行极板电容器平行极板电容器C C 和和d d的关系的关系结论：电容相对变化结论：电容相对变化量以及非线性误差均量以及非线性误差均与极距相对变化量有与极距相对变化量有关；而其灵敏度仅与关；而其灵敏度仅与起始时的电容量和极起始时的电容量和极距有关。距有关。要获得较大灵敏度要获得较大灵敏度k k，则应使则应使d d0 0小，但小，但d d0 0太小时，太小时，电容的相对变化量和非线性误差要增大。且电容的相对变化量和非线性误差要增大。且d d0 0太太小，电容器易引起击穿或短路，故小，电容器易引起击穿或短路，故k k与与e ef f在在d d0 0取值取值时是矛盾的。时是矛盾的。解决方法：解决方法：1 1）电容器击穿问题方法：可在定极板上（或极板）电容器击穿问题方法：可在定极板上（或极板间）放置一层介电常数值高的介电物质，如云母、间）放置一层介电常数值高的介电物质，如云母、塑料等。塑料等。2 2）实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，以）实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，以便于连接测量电桥，一般采用差动式结构。如图便于连接测量电桥，一般采用差动式结构。如图8 83 3所示。所示。图图86 变变d型差动电容传感器结构示意图型差动电容传感器结构示意图8.3 8.3 电容传感器应用中需注意的问题电容传感器应用中需注意的问题C C电容器电容电容器电容R RP P低频损耗并联电阻低频损耗并联电阻R RS S高温、高湿、高频励高温、高湿、高频励磁工作时的串联损耗电阻磁工作时的串联损耗电阻L L电容器及引线电感电容器及引线电感C CP P寄生电容寄生电容1 1、等效电路、等效电路上上节节对对电电容容传传感感器器的的特特性性分分析析是是在在纯纯电电容容条条件件下下进进行行的的。这这在在可可忽忽略略传传感感器器附附加加损损耗耗的的一一般般情情况况下下也也是是可可行行的的。若若考考虑虑电电容容传传感感器器在在高高温温、高高湿湿及及高高频频励励磁磁条条件件下下工工作作而而不不可可忽忽视视其其附附加加损损耗耗和和电电效效应应影影响响时时，其等效电路如图所示。其等效电路如图所示。2 2、其他问题、其他问题在在上上节节各各种种电电容容传传感感器器的的分分析析中中还还忽忽略略了了边边缘缘效效应应的的影影响响，边边缘缘效效应应的的存存在在不不仅仅使使电电容容传传感感器器的的灵灵敏敏度度降降低低，而而且且产产生生非非线线性性。为为消消除除边边缘缘效效应应的影响，可采用带保护环的结构。的影响，可采用带保护环的结构。电电容容式式传传感感器器两两极极板板间间因因存存在在静静电电场场而而作作用用有有静静电电引引力力或或力力矩矩。静静电电引引力力的的大大小小与与极极板板间间的的工工作作电电压压、介介电电常常数数、极极间间距距离离有有关关。通通常常这这种种静静电电引引力力很很小小，但但在在采采用用推推动动力力很很小小的的弹弹性性敏敏感感元元件件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。环环境境温温度度的的变变化化将将改改变变电电容容传传感感器器的的输输出出相相对对被被测测输输入入量量的的单单值值函函数数关关系系，从从而而引引入入温温度度干干扰扰误误差。差。这这种种影影响响主主要要有有以以下下两两方方面面:温温度度对对介介质质介介电电常常数数的的影影响响和和对对结结构构尺尺寸寸的的影影响响。温温度度对对介介电电常常数数的的影影响响随随介介质质不不同同而而异异，有有些些介介质质如如空空气气、云云母母等等的的介介电电常常数数温温度度系系数数近近似似为为零零，有有些些介介质质的的介介电电常常数数温温度度系系数数则则相相对对较较大大，故故采采用用此此类类介介质质时时需需考考虑虑温温度度变变化化造造成成的的误误差差。电电容容传传感感器器因因极极板板间间隙隙很很小小而而对对结结构构尺尺寸寸的的变变化化特特别别敏敏感感。在在传传感感器器各各零零件件材材料料线线胀胀系系数数不不匹匹配配的的情情况况下下，温温度度变变化化导导致致极极间间隙隙较较大大的的相相对对变变化化，从从而而产产生生大大的的温温度度误误差差。一一般般在在设设计计电电容容式式传传感感器器时时，适适当当选选择择材材料料及及结结构构参参数数，可可满满足温度误差补偿要求。足温度误差补偿要求。对对寄寄生生电电容容一一般般可可采采用用驱驱动动电电缆缆法法，整整体体屏屏蔽蔽法法和采用组合式与集成技术来解决。和采用组合式与集成技术来解决。8.4 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路1 1、电桥电路、电桥电路1 1）普通交流电桥）普通交流电桥如图所示为电容传感器的一个交流电桥测量系统。如图所示为电容传感器的一个交流电桥测量系统。电容传感器变压器电电容传感器变压器电桥原理图桥原理图 2 2）变压器电桥）变压器电桥如图所示为电容如图所示为电容式传感器所用的式传感器所用的电桥电路原理图。电桥电路原理图。当电桥输出端开当电桥输出端开路，电桥输出为路，电桥输出为:输出电压灵敏度为输出电压灵敏度为输出电压为输出电压为若若C C1 1、C C2 2为差动电容传感器的电容，测量时，为差动电容传感器的电容，测量时，C C1 1C C0 0+C+C，C C2 2C C0 0C C，则，则 双双T二极管等效电路二极管等效电路正正半周等效半周等效电路图电路图负半周等效负半周等效电路图电路图 双双T二极管交流电桥二极管交流电桥RL3 3）双）双T T二极管交流电桥二极管交流电桥如图所示。它利用电容充放电原理组成。如图所示。它利用电容充放电原理组成。电路工作原理电路工作原理双双T T二极管电路具有如下特点和要求：二极管电路具有如下特点和要求：a a）电源、传感器电容，以及输出电路负载电阻其电源、传感器电容，以及输出电路负载电阻其一端需共地；一端需共地；b b）VD1VD1、VD2VD2尽量为理想二极管，要求特性完全相尽量为理想二极管，要求特性完全相同，均工作在伏安特性线性段；同，均工作在伏安特性线性段；c c）电路灵敏度与电源幅值与频率有关，需对电源电路灵敏度与电源幅值与频率有关，需对电源采取稳压，稳频措施；采取稳压，稳频措施；d d）输出阻抗与输出阻抗与R R1 1、R R2 2为同一数量级，与为同一数量级，与C C1 1和和C C2 2无关；无关；e e）R RL L影响电容放电速度，用于动态测量时，应取影响电容放电速度，用于动态测量时，应取值小一些；值小一些；f f）传感器频率响应取决于电源频率。传感器频率响应取决于电源频率。2 2、调频电路、调频电路这种电路将传感器电容与有一电感元件配合的放大这种电路将传感器电容与有一电感元件配合的放大器组成一个调频振荡器。如图为调频器组成一个调频振荡器。如图为调频鉴频电路原理鉴频电路原理图。由图。由L L、C Cx x、C C0 0组成一并联谐振回路，其中组成一并联谐振回路，其中C Cx x为传感为传感器电容，器电容，C C0 0为固定电容，振荡频率由下式决定。为固定电容，振荡频率由下式决定。因因C Cx x是受是受被测输入量影响，所以振荡器输出被测输入量影响，所以振荡器输出的是一个频率受输入信号调制的高频调频波。此的是一个频率受输入信号调制的高频调频波。此调频波经鉴频、放大后输出，根据输出量与调频调频波经鉴频、放大后输出，根据输出量与调频波频率关系可测出传感器电容的变化。波频率关系可测出传感器电容的变化。振荡频率由下式决定。振荡频率由下式决定。3 3、脉冲宽度调制电路、脉冲宽度调制电路8.5 8.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用1.1.电容法测泥料水分电容法测泥料水分2.2.电容测厚传感器在板材轧制中的应用电容测厚传感器在板材轧制中的应用3.3.电容式液位计电容式液位计工作原理如下工作原理如下:(1)(1)当当水水塔塔中中的的水水位位到到达达x x1 1时时，即即水水快快要要用用完完时时，电电源源接接通通C Cx x、C Cr r，分分别别经经R R1 1，R R2 2由由电电源源-UccUcc充充电电，C Cr r上上充充电电电电压压为为下下正正上上负负。由由于于C Cx xCCr r，且且此此时时因因水水位位低低，C Cx x比比较较小小，故故C Cx x上上的的电电压压很很快快上上升升到到U Ur r使使比比较较器器A A1 1首首先先由由高高电电平平翻翻转转为为低低电电平平。T T3 3导导通通，绿绿灯灯亮亮，继继电电器器激激磁磁，接接通通抽抽水水电电动动机机，开开始始向向水水塔塔抽抽水水。同同时时由由于于T T3 3集集电电极高电平，使极高电平，使T T4 4截止，黄灯不亮。截止，黄灯不亮。(2)(2)在在抽抽水水的的同同时时，C Cr r继继续续充充电电。当当水水塔塔的的水水位位到到达达X X2 2时时，即即快快要要抽抽满满时时，C Cr r的的电电压压上上升升到到U Ur r，使使比比较较器器A A2 2由由高高电电平平翻翻转转为为低低电电平平，使使T T1 1,T,T2 2均均导导通通，红红灯灯亮亮，说说明明水水塔塔里里的的水水已已加加满满。由由于于T T1 1,T,T2 2均均导导通通，C Cx x、C Cr r上上所所充充电电压压经经开开关关管管T T1 1,T,T2 2迅迅速速放放电电。因因C Cx xCCr r，故故U U1 1迅迅速速下下降降到到U Ur r ，使比较器，使比较器A A1 1首先由低电平翻转为高电平，首先由低电平翻转为高电平，T T3 3截截止止，绿绿灯灯灭灭。J J3 3失失磁磁，断断开开电电动动机机电电源源，抽抽水水机机停停止止抽抽水水。同同时时，使使T T4 4导导通通，黄黄灯灯亮亮，说说明明水水塔塔能能正正常常供水。另外，由于供水。另外，由于U U1 1下降到零下降到零,T,T1 1与与T T2 2截止，红灯灭。截止，红灯灭。(3)(3)当当C Cx x放放电电使使U U2 2下下降降到到U Ur r时时，比比较较器器A A2 2由由低低电电平平翻翻转转为为高高电电平平，T T1 1、T T2 2截截止止，红红灯灯灭灭;C Cx x、C Cr r放放电电结结束束。由由-U-UCCCC对其充电。对其充电。(4)(4)当当水水塔塔中中的的水水位位下下降降到到x x1 1时时，C Cx x上上所所充充电电压压上上升升到到U Ur r，又又由由高高电电平平翻翻转转为为低低电电平平，T T3 3导导通通，抽抽水水，重重复复上上述述过过程程。图图(b)(b)所所示示结结构构适适用用于于测测量量导导电电液液体体的的液液位位。在在液液位位变变化化时时，相相当当于于外外电电极极2 2的的面面积积在在改改变变，它是一种变面积型电容传感器。它是一种变面积型电容传感器。4.4.电容式料位计电容式料位计图图为为用用电电容容传传感感器器测测量量固固体体块块状状、颗颗粒粒状状及及粉粉末末料料料料位位的的电电容容料料位位计计。由由于于固固体体摩摩擦擦力力大大，容容易易“滞滞留留”，所所以以一一般般不不用用双双层层电电极极，而而用用电电极极棒棒与与容容器器壁壁组组成成两两极极面面来来测测量量非非导导电电固固体体的的料料位位，或或在在电电极极外外套套以以绝绝缘缘套套管管测测量量导导电电固固体料位。体料位。此时电容器两极由物料及绝缘套中的电极组成。此时电容器两极由物料及绝缘套中的电极组成。5.5.电容式压力传感器电容式压力传感器6.6.差动电容压力传感器差动电容压力传感器7.7.电容式位移传感器电容式位移传感器8.8.电容式加速度传感器电容式加速度传感器