《第4章-电容式传感器资料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章-电容式传感器资料.ppt（53页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、4 4章章 电容式传感器电容式传感器电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理1 1存存在问题及影响精度原因在问题及影响精度原因3 3电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路4 42 2电容式传感器的电容式传感器的应用应用我我们们先先来来做做一一个个实实验验。打打开开一一只只老老式式收收音音机机后后盖盖，可可以以看看到到一一只只“可可变变电电容容器器”。增增加加该该电电容容器器“动动片片”的的旋旋出出角角度度，收收音音机机的的谐谐振振频频率率就就逐逐渐渐升升高高，所所接接收收到到的的电电台台频频率也逐渐升高。率也逐渐升高。结结论论：这这个个电电容容器器的的电电容容量量与与两两个个极极板板
2、的的有有效效投投影影面面积积成正比。成正比。概述 电容式传感器是实现非电量到电容量转电容式传感器是实现非电量到电容量转化的一类传感器化的一类传感器。u可以应用于位移、振动、角度、加速度等参可以应用于位移、振动、角度、加速度等参数的测量中。数的测量中。u由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨由于电容式传感器结构简单、体积小、分辨率高，且可率高，且可非接触测量非接触测量，因此很有应用前景。，因此很有应用前景。电容式液位计电容式液位计 棒状棒状电电极（金属管）外面包裹聚极（金属管）外面包裹聚四氟乙四氟乙烯烯套管，当被套管，当被测测液体的液面液体的液面上升上升时时，引起棒状，引起棒状电电极与极与导电导
3、电液体液体之之间间的的电电容容变变大。大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套 智能化液位传感器的设定方法十分简单：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，即可发出报警信使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮4-1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：电容器，如果不考虑边缘效应，其
4、电容量为：式中：式中：电容极板间介质的介电常数，电容极板间介质的介电常数，其中，其中 0 0为真空介为真空介电常数，电常数，r r为极板间介质相对介电常数；为极板间介质相对介电常数；A A两平行板所覆盖的面积；两平行板所覆盖的面积；0 0=8.85410-12F/m=8.85410-12F/md d两平行板之间的距离。两平行板之间的距离。对于空气介质，对于空气介质，r r 1 1u保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换
5、为电量输出。u在实际使用时，电容式传感器常以改变平行板间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。u改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积A的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。1.1.变极距型电容传感器变极距型电容传感器u下图为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的r和A为常数，初始极距为d时，其初始电容量 为：图图1 变极距型电容传感器原理图变极距型电容传感器原理图d d极板极板1 1极板极板2 2初始状态极板间距极板间距d d增加增加d d电容的相对变化量电容的相对变化量电容的相对变化量电容的相对变化量此时电容量此时电容量此时电
6、容量此时电容量C=C0+C若d/d1时灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度近近似似为线性关系为线性关系还可以看出，在还可以看出，在d0d0较小时，对于同样的较小时，对于同样的 dd变化所引起的变化所引起的CC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0d0过小，容易引起过小，容易引起电容器击穿或短路。电容器击穿或短路。图图2 2 电容量与极板间距离的关系电容量与极板间距离的关系u为防止击穿或短路，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距
7、离可大大减小。同时传感器的输出特性的线性度得到改善。u一般变极距型电容式传感器的起始电容在20 30 pF之间，极板间距离在25200m的范围内，最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。动动动动 极极极极板板板板定定定定 极极极极板板板板定定定定 极极极极板板板板C C2 2 d d2 2C C1 1 d d1 1初始位置时初始位置时 动极板下移时动极板下移时 改善非线性改善非线性-差动结构的传感器差动结构的传感器差动结构的传感器差动结构的传感器 差动电容器传感器的输出差动电容器传感器的输出灵敏度灵敏度电容相对变化电容相对变化电容相对变化电容相对变化量量量量结论：灵敏度提高一倍
8、，结论：灵敏度提高一倍，d/d的的奇奇次方项被次方项被抵抵消了，消了，使得非线性减少。使得非线性减少。2.2.变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器u上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。被测量通上图是变面积型电容传感器原理结构示意图。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S S改变，从而改改变，从而改变电容量。变电容量。变面积型电容传感器原理图变面积型电容传感器原理图u当动极板相对于定极板延长度当动极板相对于定极板延长度a a方向平移方向平移 x x时，时，可得：可得：u式中式中 为初始电容。电容相对变化量为初始电容。电容相对变化量为为u很明显，这种
9、形式的传感器其电容量很明显，这种形式的传感器其电容量C C与水平位移与水平位移xx是是线性关系，因而其量程不受线性范围的限制，适合于测线性关系，因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。它的灵敏度为：量较大的直线位移和角位移。它的灵敏度为：u下图是电容式角位移传感器原理图。当动极板下图是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移有一个角位移 时，与定极板间的有效覆盖面积时，与定极板间的有效覆盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。就改变，从而改变了两极板间的电容量。u当当=0=0时，则时，则电容式角位移传感器原理图电容式角位移传感器原理图式中：式中：r r 介质相对
10、介电常数；介质相对介电常数；d d0 0 两极板间距离；两极板间距离；A A0 0 两极板间初始覆盖面积。两极板间初始覆盖面积。u当当00时，则时，则u从上式可以看出，传感器的电容量从上式可以看出，传感器的电容量C C与角位移与角位移 呈线性关系。呈线性关系。同心圆筒形线位移电容式传感器D0D1La圆柱形电容式线位移传感器初始电容C0为：当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：1.3 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器x xC CC C1 1C C2 2C C3 3设固定极板长度为设固定极板长度为a a、宽度、宽度为为b b、两极板间的距离为、两极板
11、间的距离为；被测物的厚度和它的介电；被测物的厚度和它的介电常数分别为常数分别为x x和和,则则厚度传感器厚度传感器厚度传感器厚度传感器0空气的介电常数;插入介质前插入介质前插入介质后插入介质后0 0L LC C1 1d d1 1d d0 01 1x xC C2 2C CC C2 2C C1 1线位移传感器线位移传感器线位移传感器线位移传感器电容相对变化电容相对变化可见可见,电容的变化电容的变化C与电介质与电介质1的的移动量移动量 x 呈呈线性线性关关系。系。变介质型电容传感器变介质型电容传感器变介质型电容传感器变介质型电容传感器3电容式传感器的测量电路 电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分
12、微小，电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接被目前的显示仪表显示，这样微小的电容量还不能直接被目前的显示仪表显示，也很难被记录仪接受，不便于传输。也很难被记录仪接受，不便于传输。u必须借必须借助测量电路检出这一微小电容增量，助测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。u电容转换电路有电桥式电路、调频电路、运算放大器式电电容转换电路有电桥式电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双路、二极管双T T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。1 1）调
13、频测量电路）调频测量电路Cxf振荡器振荡器uf限幅限幅放大器放大器uL鉴频器鉴频器调调频频测测量量电电路路中中电电容容式式传传感感器器作作为为振振荡荡器器谐谐振振回回路路的的一一部部分分,当当输输入入量量导导致致电电容容量量发发生生变变化化时时，振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率就就发发生生变化。变化。若若用用频频率率直直接接作作为为测测量量系系统统的的输输出出量量，来来判判断断被被测测非非电电量量的的大小，具有非线性、不易校正等问题。大小，具有非线性、不易校正等问题。因此，加入鉴频器，频率变化转换为电压振幅变化来输出。因此，加入鉴频器，频率变化转换为电压振幅变化来输出。3电容式传感器的测量电路
14、u图中调频振荡器的振荡频率为图中调频振荡器的振荡频率为式中：式中：L0L0振荡回路的电感；振荡回路的电感；C C 振荡回路的总电容，振荡回路的总电容，。其中，。其中，C1C1为振荡回路为振荡回路固有电容；固有电容；C2C2为传感器引线分布电容；为传感器引线分布电容；而而 为传感器为传感器的电容的电容。Cxf振荡器振荡器uf限幅限幅放大器放大器uL鉴频器鉴频器4.4电容式传感器的测量电路当被测信号为当被测信号为0 0时，时，C=0C=0，则，则 ，所以振荡，所以振荡器有一个固有频率器有一个固有频率 ：当被测信号不为当被测信号不为0 0时，时，C0C0，振荡器频率有相应变化，此，振荡器频率有相应变
15、化，此时频率为：时频率为：f=(-1/2).f0.(c/(c+c0)电容量电容量c的变化引起交流信号的频率发生变化。的变化引起交流信号的频率发生变化。（详详见见P85）是指鉴频器的是指鉴频器的输出电压输出电压u0与与输入电压瞬时频率输入电压瞬时频率f 或频偏或频偏f之间的关系之间的关系曲线。曲线。二者是截然不同的两种信号。二者是截然不同的两种信号。理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈理想鉴频特性曲线应是一条直线，但实际上往往有弯曲，呈S形。形。鉴频特性鉴频特性(曲线曲线)调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可以调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可以测至测至0.01 m级位
16、移变化量。信号输出易于用数字级位移变化量。信号输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收以实现遥测遥控。送、接收以实现遥测遥控。2)2)脉冲调制电路脉冲调制电路-差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路差差动动脉脉冲冲调调宽宽电电路路，通通过过对对传传感感器器电电容容的的充充放放电电，使使电电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器，被测量的变化转换为直流信号输出。通过低通滤波器，被测量的变化转换为直流信号输出。Cx1、Cx2为为差差动动式式传传感感器器的的两两个个电电容容；若
17、若用用单单组组式式，则则其其中中一一个个为为固固定定电电容容，其电容值与传感器电容初始值相等；其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，是两个比较器，Ur为其参考电压。为其参考电压。低通滤波器低通滤波器当当接通电源后，若触发器Q端为高电平，则触发器通过R1对Cx1充电。基本工作原理基本工作原理当当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，使Q端为低电平。此时，电容Cx1通过二极管VD1迅速放电至零，而触发器经R2向C2充电。当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转。此时，电容Cx2通过二极管VD2迅速放电至零。如此交替激励
18、。因因此此，电电路路充充放放电电的的时时间间，即即触触发发器器输输出出方方波波脉脉冲冲的的宽度受电容宽度受电容Cx1、Cx2的调制。的调制。循循环环工工作作双稳态双稳态触发器触发器R2R2A1A1A2A2VD1VD1R1R1uABuABC2C2C1C1Q QQ Q A AG GB BF FU UR R比较器比较器VD2VD2（1）当Cx1=Cx2时，触发器两端电平的脉冲宽度T1和T2相等，测量电路在一个周期T=T1+T2时间内输出平均电压为零。（2）当当Cx1Cx2时时，C1和C2充放电时间常数发生变化，触发器两端电平的脉冲宽度T1和T2不相等，测量电路在一个周期T=T1+T2时间内输出平均电
19、压，经过低通滤波器后，为U1：触发器的高电平值U直t0C C1 1、C C2 2的充电时间的充电时间T T1 1、T T2 2为：为：A A、B B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于只取两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于只取A A、B B两点电压两点电压的直流分量的直流分量 p88p88页页低通滤波器低通滤波器U直直Ur:比较器电压比较器电压设设R R1 1R R2 2R R，C1=C0+C1=C0+C,C,C2=C0-C,则则 差动脉冲调制电路输出的直差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值流电压与传感器两电容差值成正比。成正比。U直t0对差动变极距型平行板电容传感器有对
20、差动变极距型平行板电容传感器有同理，变面积型电容传感器有同理，变面积型电容传感器有因此，差动脉冲宽度调制电路适用于差动电容式传感器，并具有理论上的线性特性。电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；无元件线性要求；经低通滤波器可输出大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。3)3)3)3)交流不平衡电桥（自学）交流不平衡电桥（自学）交流不平衡电桥（自学）交流不平衡电桥（自学）交流电桥的多种形式交流电桥的多种形式图为电感-电容电桥。举举例例 变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电容传感器的两个电容C1、C2作为电桥的4个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电
21、桥供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、检波、滤波后，获得与被测量变化相对应的输出，最后为仪表显示记录。4）谐振法测量电路（）谐振法测量电路（自学自学）4电容式传感器的应用 电容式传感器由于结构简单，可以不用有机材料电容式传感器由于结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以它可以在温度变化大、有各种辐和磁性材料构成，所以它可以在温度变化大、有各种辐射等恶劣环境下工作。射等恶劣环境下工作。u电容式传感器可以制成非接触式测量器，响应时间短，电容式传感器可以制成非接触式测量器，响应时间短，适合于适合于在线和动态测量。在线和动态测量。u电容式传感器具有高灵敏度，且其极间的相互吸引力十电容式传感器具有
22、高灵敏度，且其极间的相互吸引力十分微小，从而保证了较高的测量精度。分微小，从而保证了较高的测量精度。u近年来电容式传感器被广泛地应用在厚度、位移、压力、近年来电容式传感器被广泛地应用在厚度、位移、压力、密度、物位等物理量的测量中。密度、物位等物理量的测量中。1.1.电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式压力传感器及血压测量电容式压力传感器及血压测量 膜片和基座均由熔凝石英制成，工作和参比电极均通过真空镀膜得到。膜片和基座均由熔凝石英制成，工作和参比电极均通过真空镀膜得到。基座小孔接通大气。基座小孔接通大气。极板间距极板间距10m；电容初值：敏感电
23、容电容初值：敏感电容Cx0=112pF、参比电容、参比电容CR0=56pF。等效电路等效电路 当被测血压当被测血压P均匀作用在膜片上时，膜片挠曲变形。均匀作用在膜片上时，膜片挠曲变形。Cx和和P的关系为：的关系为：泊松比；泊松比；E杨氏模量；杨氏模量；rx敏敏感电容的半径；感电容的半径；h-膜片厚度膜片厚度测量电路测量电路 初始时刻，血压为初始时刻，血压为0 0时，调节电位器时，调节电位器WW使桥路平衡，则输出电压为使桥路平衡，则输出电压为0 0；测；测量时，在血压压力的作用下，导致桥路不平衡，输出电压为：量时，在血压压力的作用下，导致桥路不平衡，输出电压为：U0(V)血压测量范围：血压测量范
24、围：-440kPa（-30300mmHg)，非，非线性误差线性误差0.5%代入Cx与P的关系式，可知U0与P成正比。1 1电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路u上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条上节对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下件下进行的。这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的。若考虑电容传感器在也是可行的。若考虑电容传感器在高温、高湿及高频激高温、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，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。其等效电路如下图所示。
25、电容式容式传感器的等效感器的等效电路路4.6 4.6 电容式传感器存在的问题电容式传感器存在的问题计算有效电容Ce(为了计算方便，实际中Rs很小和Rp很大):图图中中考考虑虑了了电电容容器器的的损损耗耗和和电电感感效效应应。Rp并并联联损损耗耗电电阻阻，它它代代表表极极板板间间的的泄泄漏漏电电阻阻和和介介质质损损耗耗。这这些些损损耗耗在在低低频频时时影影响响较较大大，随随着着工工作作频频率率增增高高，容容抗抗减减小小，其影响就减弱。其影响就减弱。Rs串串联联损损耗耗，即即代代表表引引线线电电阻阻、电电容容器支架和极板电阻的损耗。器支架和极板电阻的损耗。电电感感L由由电电容容器器本本身身的的电电
26、感感和和外外部部引引线线电感组成。电感组成。以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响。u实际上当极板厚度实际上当极板厚度h h与极距与极距d d之比相对较大时，边缘效应之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。边缘效应不仅使电容传感器的灵敏的影响就不能忽略。边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。度降低，而且产生非线性。2.2.边缘效应边缘效应为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如下图所示。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构，如下图所示。习题与思考题1 1.某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极
27、板半径某电容传感器（平行极板电容器）的圆形极板半径 ，工作初始极板间距离，工作初始极板间距离 ，介质为空气。问：，介质为空气。问：（1 1）如果极板间距离变化量）如果极板间距离变化量 ，电容的变化，电容的变化量量 是多少？是多少？（2 2）如果测量电路的灵敏度）如果测量电路的灵敏度 ，读数仪表，读数仪表的灵敏度的灵敏度 （格（格mVmV）在）在 时，读数仪时，读数仪表的变化量为多少？表的变化量为多少？2.2.简述电容式传感器的优缺点。简述电容式传感器的优缺点。习题与思考题3.电容式传感器测量电路有电容式传感器测量电路有哪哪几种常见形式？几种常见形式？每每种形式的工作原理是什么种形式的工作原理是什么？例题例题解：解：1）2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格 一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙d=0.3mm，介电常数=8.8510-12F/m，试求：1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量d=2m,电容变化量是多少?2)若测量电路的灵敏度S1=100mv/PF,读数仪表的灵敏度S2=5格/mv,当d=2m,时，读数仪表示值变化多少格?