电容式传感器课件

第四章机械量测量非电量测量范围：尺寸（长、宽、高）位移（直线位移、角位移）速度（直线速度、角速度、转速）力学量（力、力矩、振动）测量传感器：电容、电感、压磁、光电、霍尔元件4.2位移（直线位移、角位移）常用位移传感器电容式、电感式、电感式差动变压器式4.2.1 4.2.1 电容式传感器电容式传感器一、工作原理一、工作原理1、定义：电容式传感器就是将被测量变换成电容量的、定义：电容式传感器就是将被测量变换成电容量的一种传感器。一种传感器。2、工作原理、工作原理3、类型、类型变间隙式、变面积式、变介电常数式变间隙式、变面积式、变介电常数式+Capacitor如图所示，平行板电容器的如图所示，平行板电容器的和和S S不变，不变，只改变电容器两极板之间距离只改变电容器两极板之间距离d d。该类型。该类型传感器常用于压力的测量。传感器常用于压力的测量。Capacitor初始状极距为初始状极距为d d0 0时，电容器容量时，电容器容量C C0 0为，为，电容器受外力作用，极电容器受外力作用，极距减小距减小dd，则电容器容量改变为，则电容器容量改变为 ：此时此时C1与极间距的改变呈线性关系。与极间距的改变呈线性关系。灵敏度负号表示二者变化方向相反非线性误差：为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。如图所示(1为动片、2为定片)，中间电极若受力向上位移d，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为：电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。得到：变极间距2、变面积式变面积式变面积式电容传感元件结构原理图如下所示。变面积式电容传感元件结构原理图如下所示。图（a）所示平板形位移x后，电容量由初始值变为：灵敏度为：对于角位移传感器，图（b），设两片极板全重合（=0）时的电容量为C0，动片转动角度后，电容量变为：电容量变化：灵敏度为：影响因素变面积式电容压力传感器 2、电容式液面计、电容式液面计储藏仓粉位测量、酸碱罐液面的测量变介电常数3.2 3.2 测量电路测量电路一、调幅型测量电路一、调幅型测量电路（一）交流电桥电路（一）交流电桥电路1、单臂接法、单臂接法2、差动接法、差动接法（二）运算放大器式电路（二）运算放大器式电路2、可调零测量电路、可调零测量电路应用：应用：ZCS1100英国超精密电容位移传英国超精密电容位移传感器感器特点：纳米级分辨率；线性特点：纳米级分辨率；线性0.08%0.08%；灵敏度可调；灵敏度可调；应用：压电微位移、振动台，电应用：压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜子显微镜微调，天文望远镜镜片微调。片微调。首首页激光激光检测检测设备直直线位移位移计相关相关传感器感器监控控仪表表厚度厚度测量量仪新新产品品ZNXsensor双极型精密双极型精密电容位移容位移传感器感器特点：纳米分辨率；零磁滞；线性特点：纳米分辨率；零磁滞；线性0.02%；频；频带可调带可调505000HZ；灵敏度可；灵敏度可调；调；应用：压电微位移、振动台，电子显微镜应用：压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。测量等。油量测量右图其原理图，利用了圆柱型电容传感器。其电容为：当燃油增大，h2增大，C也增大，即传感器的电容增大；燃油减少，h2减少，C也减小，即传感器的电容减少。这样传感器就把油量的变化转换为电容的变化，通过测量电容的大小就能知道油量的多少。Capacitor湿度测量湿敏电容一般是用高分子薄膜湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。精度一般比湿敏电阻要低一些。CapacitorHM1500湿度传感器湿度传感器在工农业生产、气象、环保、国防、科在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。进行测量及控制。电容式键盘常规的键盘有机械式按键常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。和电容式按键两种。电容电容式键盘是基于电容式开关式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。荡脉冲允许通过的条件。理论上这种开关是无触点理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，具有有接触不良的隐患，具有噪音小，容易控制手感，噪音小，容易控制手感，可以制造出高质量的键盘，可以制造出高质量的键盘，但工艺较机械结构复杂。但工艺较机械结构复杂。Capacitor此种键盘即利用极距式电此种键盘即利用极距式电容传感器以实现信息转换容传感器以实现信息转换电容传声器传声器（传声器（Microphone）俗称话）俗称话筒，音译作麦克风，是一种声筒，音译作麦克风，是一种声电换能器件，可分电动和静电换能器件，可分电动和静电两类，目前广播、电视和娱电两类，目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈式和电容式。多数是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器，但而平坦，是高性能传声器，但这种传声器制造工艺复杂，价这种传声器制造工艺复杂，价格高，需外加格高，需外加60200V的极化的极化电压源，一般在专业领域使用电压源，一般在专业领域使用较多。较多。驻极体电容传声器驻极体电容传声器大膜片电容传声器大膜片电容传声器Capacitor驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。指纹识别指纹识别目前最常用指纹识别目前最常用的是电容式传感器，的是电容式传感器，也被称为第二代指纹也被称为第二代指纹识别系统。它的优点识别系统。它的优点是体积小、成本低，是体积小、成本低，成像精度高，而且耗成像精度高，而且耗电量很小，因此非常电量很小，因此非常适合在消费类电子产适合在消费类电子产品中使用。品中使用。右图为指纹经过处理右图为指纹经过处理后的成像图：后的成像图：Capacitor指纹识别指纹识别所需电容传感器指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属的手指放在上面时，金属导体阵列导体阵列/绝缘物绝缘物/皮肤就皮肤就构成了相应的小电容器阵构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同金属导体之间的距离不同而变化。而变化。Capacitor产品产品.电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/料位计）料位计）电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测被测电容电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的距离发生变化，使得和测量关的距离发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变头相连的电路状态也随之发生变化化.接近开关的检测物体，并不接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。液体或粉状物体。电感式位移传感器位移变化自感系数、互感系数的变化应用应用：测量位移、震动、压力、流量、相对密度等物 理量特点特点：结构简单 灵敏度高 线性度优良1、工作原理、工作原理当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感也发生变化，为：电感也发生变化，为：电感的相对变化电感的相对变化量近似为：量近似为：2、输出特性、输出特性灵敏度1-线圈；2-铁芯；3-衔铁；4-导杆二、二、差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器电感量的变化与气隙的关系：电感量的变化与气隙的关系：灵敏度：灵敏度：优点：优点：1、差动式灵敏度比单线圈灵敏度高一倍。、差动式灵敏度比单线圈灵敏度高一倍。2、差动式的线性度有了改善。、差动式的线性度有了改善。四、测量电路四、测量电路1.交流电桥式测量电路其输出电压:.2、交流变压器式电桥、交流变压器式电桥变压器式交流电桥测量电路如图所示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压：当传感器的衔铁处于中间位置时，即Z1=Z2=Z，此时有Uo=0，电桥平衡。当传感器的衔铁下移时，即Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，此时：当传感器的衔铁上移时，则Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，此时：衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反，由于Uo是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）电感式传感器的应用电感式传感器的应用4.2 4.2 互感型互感型-差动变压器差动变压器优点：优点：1、精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠、精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠工作原理工作原理:互感现象和变压器工作原理。互感现象和变压器工作原理。结构：结构：1、变面积；、变面积；2、变间隙；、变间隙；3、螺线管式、螺线管式一、螺线管式一、螺线管式WW1W2.EwEoutU0 x-xU2bU2a输出电压的特点输出电压的特点1、当衔铁位于中心位置时，实际输出电、当衔铁位于中心位置时，实际输出电压不等于压不等于0，有一定的残余电压。，有一定的残余电压。2、残余电压在几十伏以下。、残余电压在几十伏以下。3、残余电压主要由两个次级绕组的电器、残余电压主要由两个次级绕组的电器参数和几何尺寸不完全一致，导致它们参数和几何尺寸不完全一致，导致它们产生的感应电势幅值不等相位不同；由产生的感应电势幅值不等相位不同；由于磁性材料的磁饱和、磁滞的造成磁化于磁性材料的磁饱和、磁滞的造成磁化曲线的非线性。高次谐波中三次谐波曲线的非线性。高次谐波中三次谐波消除零点残余电压方法：消除零点残余电压方法：1 1从设计和工艺上保证结构对称性从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。2 2选用合适的测量线路选用合适的测量线路 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。e2+x-x210相敏检波后的输出特性（三）测量电路（三）测量电路 差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。1 1、差动整流电路、差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgbahe（参看图a）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehbagf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从b到a。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为U0=uabucd。全波整流电路和波形图e1RRacdhgfbeU0衔铁在零位以下uabtttuabtttuabtucdtU0tUcdU0U0ucd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)在f点为“”，则电流路径是fgdche(参看图a)。反之，如f点为“”，则电流路径是ehdcgf。单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型传感器测量电路传感器测量电路差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量4.2.44.2.4电涡流传感器电涡流传感器一、工作原理一、工作原理电涡流传感器由平面线圈和金电涡流传感器由平面线圈和金属片组成，它是基于电磁感应属片组成，它是基于电磁感应原理制成的原理制成的1、电涡流和涡流效应、电涡流和涡流效应电涡流：成块的金属置于变化的磁场中，或者在固电涡流：成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流。涡流效应：如图上图所示，有一通以交变电流涡流效应：如图上图所示，有一通以交变电流I1的的传感器线圈。由于电流传感器线圈。由于电流I1的存在，线圈周围就产生的存在，线圈周围就产生一个交变磁场一个交变磁场H1。若被测导体置于该磁场范围内，。若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流导体内便产生电涡流I2，也将产生一个新磁场也将产生一个新磁场H2；H2与与H1方向相反，力图削弱原磁场方向相反，力图削弱原磁场H1，从而，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这这种现象就是涡流效应。种现象就是涡流效应。2 2、工作原理、工作原理由等效电路可写出两个电压平衡方程式：由等效电路可写出两个电压平衡方程式：R2L1L2I1I2U1 R1M涡涡流流式式传传感感器器与与被被测测金金属属的等效电路的等效电路解上面的联立方程可得到，从而求出解上面的联立方程可得到，从而求出受金属影响后空心线圈的等效阻抗为受金属影响后空心线圈的等效阻抗为可看出线圈阻抗的实部即有效可看出线圈阻抗的实部即有效电阻随电阻随M的增加而增加；虚部的增加而增加；虚部即等效电感随即等效电感随M的增加而减少，的增加而减少，这样使线圈阻抗发生了变化。这样使线圈阻抗发生了变化。影响品质因素影响品质因素Q减小。减小。电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系线圈的激励电流线圈的激励电流金属导体中的等效电流金属导体中的等效电流线圈到金属导体表面距离线圈到金属导体表面距离线圈外径线圈外径结论：结论：（1）电涡流强度与距离）电涡流强度与距离是非线性关系。是非线性关系。（2）当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在）当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在（0.050.15）的范围内才能得到较好）的范围内才能得到较好的线性和较高的灵敏度。的线性和较高的灵敏度。二、结构二、结构1234561 线圈线圈 2 框架框架 3 衬套衬套4 支架支架 5 电缆电缆 6 插头插头三、测量电路三、测量电路定额调幅式测量电路定额调幅式测量电路1、采用石英晶体振荡器，投供稳定的高频激励信号。、采用石英晶体振荡器，投供稳定的高频激励信号。2、R为耦合电阻为耦合电阻，来减小传感器对振荡器的影响，来减小传感器对振荡器的影响，R影响影响灵敏度，灵敏度，R大灵敏度低，大灵敏度低，R小则灵敏度高；但小则灵敏度高；但R过小时，过小时，由于对振荡器起旁路作用，也会使灵敏度降低。由于对振荡器起旁路作用，也会使灵敏度降低。3、输出电压的频率恒定，大小变化，所以成为调幅式的。、输出电压的频率恒定，大小变化，所以成为调幅式的。