第三章电容式传感器

1、本章的主要内容有本章的主要内容有:1.电容式传感器的结构原理电容式传感器的结构原理;2.电容式传感器的主要测量电路电容式传感器的主要测量电路;3.电容式传感器的结构类型电容式传感器的结构类型;4.电容式传感器的典型应用电容式传感器的典型应用;通过学习要求掌握电容式传感器的正确选用方法。通过学习要求掌握电容式传感器的正确选用方法。回顾：回顾：电阻式传感器电阻式传感器1 1）按工作的原理可分）按工作的原理可分2）按制作方式分）按制作方式分电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片: :是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。 基于金属导体的应变效应，即金属导

2、体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化现象。金属丝应变片：金属丝应变片：对金属材料，导电率不变：)21(RdRdRdR2半导体应变计半导体应变计dRdR应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(324131421 1、变换原理、变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化1 1、改变极板面积的、改变极板面积的2 2、改变极板距离的、改变极板距离的3 3、改变介电常数的、改变介电常数的+ A AC0、A A或或发生变化时，发生变化时，都会引起电容的变化。都会引起电容的变化。 当动极板移动当动极板移动x x后，覆后，覆盖面

3、积就发生变化，电容量也盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为随之改变，其值为: :axCxdbCCC00其灵敏度为其灵敏度为:dbxCK 变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。)1()1(0CdAC角位移型角位移型+AC0 下图为变间隙式电容传感器的原理图。下图为变间隙式电容传感器的原理图。 当活动极板因被测参数的改变而引起移动时，两极板之间的电容量C就改变了。 设极板面积为设极板面积为A A，其静态电容量为：其静态电容量为：当活动极板移动当活动极板移动x x后，其电容量为：后，其电容量为：dAC22011dxdxCxdAC22011dxdxCxdAC1122dx)1

4、(0dxCC4 4、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来提、一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来提高绝缘性。高绝缘性。1 1、电容量电容量C C与与x x不是线性关系，只有当不是线性关系，只有当 x xd d时，才可认时，才可认为是最近似线形关系。为是最近似线形关系。2 2、要提高灵敏度，应减小起始间隙、要提高灵敏度，应减小起始间隙d d。3 3、当、当d d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。5 5、在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用、在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。

5、差动式结构。 讨论：讨论：, , 则：则：变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 1 1）当电介质改变时，电容量也会变化，可用下式表示。上）当电介质改变时，电容量也会变化，可用下式表示。上图为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量图为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。物位或液位，也可测量位移。AC0表表3-1 3-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数变介电常数式电容传感器变介电常数式电容传感器 根据表根据表3-1，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸

6、时，哪一种情况下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？可以用于测量什么非电量？电容量大？可以用于测量什么非电量？振荡电路振荡电路感应电极感应电极被测物体被测物体2）应用举例）应用举例1：电容式接近开关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，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数介电常数发生变化，使发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化得和测量头相连的电路状态也随之发生变化. .由此便由此便可控制开可控制开关的接通和关断关的接通和关断; ;接近开关的检

7、测物体，并不限于金属导体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。也可以是绝缘的液体或粉状物体。3.2.1 双双T电桥电路电桥电路 测量电路测量电路 图中图中C C1 1、C C2 2为差动电容式传感器的电为差动电容式传感器的电容，容，R RL L为负载电阻，为负载电阻，V V1 1、V V2 2为理想二极管，为理想二极管，R R1 1、R R2 2为固定电阻。为固定电阻。常用电路有:双双T T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。制电路、调频电路。图3.2.1 双T电桥电路C1C2R2R1RLu当当V V1 1导

8、通、导通、V V2 2截止时截止时C C1 1充电；反之充电；反之V V1 1截止、截止、V V2 2导通时导通时C C2 2充电充电; ; 由图中可以看出，一路通过由图中可以看出，一路通过R R1 1、R RL L，另一路通过另一路通过R R2 2、R RL L，这时流过这时流过R RL L的电流为的电流为i i1 1; ; 若若C C1 1或或C C2 2变化时，在负载变化时，在负载R RL L上产生的平均电流将不为零，因而有信上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。号输出。与P144不同桥式转换电路3.2.1 双双T电桥电路电桥电路 1）测量电路）测量电路常用电路有:双双T T电桥电路

9、、运算放大器测量电路、脉冲调电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。制电路、调频电路。图3.2.1 双T电桥电路C1C2R2R1RLu 有一个公共接地点。有一个公共接地点。 V V1 1和和V V2 2工作在伏安特性的线性段。工作在伏安特性的线性段。 输出电压较高。输出电压较高。 灵敏度与电源频率有关。灵敏度与电源频率有关。 可以用作动态测量。可以用作动态测量。3.2.2 运算放大器式测量电路运算放大器式测量电路 常用电路有:双双T T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。制电路、调频电路。 电路的原理如上图所示。其输出电压电路

10、的原理如上图所示。其输出电压以以 代入上式，则有：代入上式，则有： 输出电压输出电压u u0 0与动极片位移与动极片位移d d成线性关系。成线性关系。x0i0CCuudACxdACuu0i0iuou3.2.3 脉冲调制电路脉冲调制电路 常用电路有:双双T T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。制电路、调频电路。C2C1A1A2D1R1R2VOCD2BASVr-QQRDVAV10tVBV10tVCVr0tVDVr0tVOVo=00tT2T1(b) C1=C1(c) C1C1VBV10tVBV10tVCVr0tT1VDVr0tT2VOVo0t

11、差动电容差动电容C C1 1和和C C2 2的大小控的大小控制直流电压的通断，所得方波制直流电压的通断，所得方波与与C C1 1和和C C2 2有确定的函数关系。有确定的函数关系。 可见，输出电压与电容变可见，输出电压与电容变化成线性关系。化成线性关系。121210uCCC-Cu3.2.4 调频电路调频电路常用电路有:双双T T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。制电路、调频电路。 当电容变化时导致振荡频率变化，再通过鉴频电路将其转换为振幅的变化，经放大后即可显示，这种方法称为调频法。测量电路见下图。振荡频率为测量电路见下图。振荡频率为LC

12、21f)CCL(C21fc0103.2.4 调频电路调频电路常用电路有:双双T T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。制电路、调频电路。 当电容变化时导致振荡频率变化，再通过鉴频电路将其转换为振幅的变化，经放大后即可显示，这种方法称为调频法。测量电路见下图。振荡频率为测量电路见下图。振荡频率为机械式油量表：机械式油量表： 在油箱内，装在油箱内，装有类似卫生间水箱有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流盘电位器，由电流表指示出油量。表指示出油量。3.3.1 在物位测控中的应用在物位测控中

13、的应用 电容式油量表电容式油量表 电容式油量表电容式油量表 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为 m处。处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动时带动RP的滑动臂移动。当的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（ x 处）。处）

14、。 该油量该油量表属于开环表属于开环系统还是闭系统还是闭环系统？环系统？ 上页所示的油量表在倾斜状态时可上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？以使用吗？为什么？ 该油量该油量表可用于表可用于飞机油箱飞机油箱3.3.1 在物位测控中的应用在物位测控中的应用 LP-5000系列电容物位变送器3.3.1 在物位测控中的应用在物位测控中的应用 LP-5000系列电容物位变送器 液位限位传感器与液液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但值时，它输出低电平。但也可以

15、选择输出为高电平也可以选择输出为高电平的型号。的型号。3.3.1 在物位测控中的应用在物位测控中的应用 CTS-DFD电容式物位限位开关3.3.1 在物位测控中的应用在物位测控中的应用 CTS-DFD电容式物位限位开关液位限位传感器液位限位传感器的设定的设定 智能化液位传感器的设智能化液位传感器的设定方法十分简单：定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按

16、钮设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯超限灯正常工作正常工作指示灯指示灯设定按钮设定按钮电源电源 指示灯指示灯3.3.2 在压力测量中的应用在压力测量中的应用 CCPS32陶瓷电容压力传感器 陶瓷是一种公认陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振抗磨损、抗冲击和振动的材料动的材料 3.3.2 在压力测量中的应用在压力测量中的应用 u FB0802陶瓷电容型压力变送器http:/ 在压力测量中的应用在压力测量中的应用 u 1151系列电容式变送器 1）工作原理）工作原理 被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在被测介质的两种压

17、力通入高、低两压力室，作用在元件元件( (即敏感元即敏感元件件) )的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和元件内的填充液传到预张紧的测元件内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和量膜片两侧。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成4-204-20mAmA的电流的电流信号输出。信号输出。3.3.3 在位移测量中的应用在位移测量中的应用 u capaNCDT610 电容式位移传感器 1）应用领域）应用领域 主要

18、用于震动、偏心、裂纹、振荡、同心主要用于震动、偏心、裂纹、振荡、同心度、位移、膨胀、挠度、波动、倾斜、尺寸公度、位移、膨胀、挠度、波动、倾斜、尺寸公差、零件识别、差、零件识别、 冲击、轴向振动、轴承振动和冲击、轴向振动、轴承振动和油膜间隙等。油膜间隙等。 3.3.3 在位移测量中的应用在位移测量中的应用 u capaNCDT610 电容式位移传感器 2） 特点：特点： I.I. 工作时无磨损，免维修；工作时无磨损，免维修； II. II. 高的零点稳定性和精度；高的零点稳定性和精度； III. III. 几乎与温度无关；几乎与温度无关； IV. IV. 传感器对被测体没有作用力；传感器对被测体

19、没有作用力； V. V. 与被测体导电性能，以及导电性能变化无关；与被测体导电性能，以及导电性能变化无关； 3.3.3 在位移测量中的应用在位移测量中的应用 u capaNCDT610 电容式位移传感器 3）系统结构）系统结构 它是一个精密的单通道系统，它是一个精密的单通道系统，它由电容位移传感器，传感器电缆它由电容位移传感器，传感器电缆和处理信号的前置器组成。用户可和处理信号的前置器组成。用户可以在现场用二点线性化方法校准。以在现场用二点线性化方法校准。如下图主要由传感器、电缆、前置如下图主要由传感器、电缆、前置放大器、供电电缆和电源五个部分。放大器、供电电缆和电源五个部分。3.3.3 在位

20、移测量中的应用在位移测量中的应用 u capaNCDT610 电容式位移传感器 4）技术参数）技术参数 在室温在室温2020，传感器电缆长为，传感器电缆长为1 1米的情况下测得的。在被测材料为米的情况下测得的。在被测材料为金属材料时，测量信号线性特性，金属材料时，测量信号线性特性，不需重新校准。导电性能的变化不不需重新校准。导电性能的变化不会影响传感器灵敏度和线性。会影响传感器灵敏度和线性。 3.3.3 在位移测量中的应用在位移测量中的应用 u capaNCDT610 电容式位移传感器 5）线性化校准）线性化校准 它在出厂时已用金属材料校准好，输出它在出厂时已用金属材料校准好，输出0 10V0

21、 10V。 在精度低时测量范围可扩展在精度低时测量范围可扩展2 - 32 - 3倍，如上图所示。倍，如上图所示。 6 6）传感器和电缆传感器和电缆 传感器带有保护环，它用传感器带有保护环，它用1 1米长电缆同前置器连接米长电缆同前置器连接起来。应用时，无须再校准，灵敏度误差在起来。应用时，无须再校准，灵敏度误差在0.5 1%0.5 1%以内。特殊传感器请咨询。所有传感器无安装座，也以内。特殊传感器请咨询。所有传感器无安装座，也能简单安装。固定通常用埋头螺钉或者开口夹（如右能简单安装。固定通常用埋头螺钉或者开口夹（如右图所示）。图所示）。3.3.3 在位移测量中的应用在位移测量中的应用 u TR

22、230型容栅测微传感器 1）工作原理）工作原理 如图所示，容栅传感器是一种无差调节的闭环控制系统，如图所示，容栅传感器是一种无差调节的闭环控制系统，基本测量部分是一个差动电容器，它是利用电容的电荷耦合方基本测量部分是一个差动电容器，它是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变成为电信号的相应变化量，将该电信号送式将机械位移量转变成为电信号的相应变化量，将该电信号送入电子电路后，再经过一系列变换和运算后显示出机械位移量入电子电路后，再经过一系列变换和运算后显示出机械位移量的大小。的大小。2) 外型尺寸外型尺寸具体结构尺寸为：具体结构尺寸为：TR230TR230型的型的L0=31L0=31（mmmm

23、），），L=194L=194（mmmm）；）；3.3.3 在位移测量中的应用在位移测量中的应用 u TR230型容栅测微传感器 3）技术指标）技术指标 I. I. 测量范围：测量范围：0-30mm/0-50mm/0-100mm 0-30mm/0-50mm/0-100mm II. II. 分辨率：分辨率：0.01mm0.01mm、0.005mm 0.005mm III. III. 测力：测力：2.5N 2.5N IV. IV. 最大移动速度：最大移动速度：1.5M/s 1.5M/s V. V. 工作温度：工作温度：10-40 10-40 VI. VI. 存储温度：存储温度：0-55 0-55 3

24、.3.4 电容式接近开关电容式接近开关 被检测物体可以是导电体、介质损耗被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）体等） ；可以是接地的，也可以是不接地；可以是接地的，也可以是不接地的。的。 调节接近开关尾部的灵敏度调节电位调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。器，可以根据被测物不同来改变动作距离。 电容式接近开关外形电容式接近开关外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式非齐平式非齐平式接近开关的安装接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于安非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。装支架，易损

25、坏。全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）远距离式（大量程）电容接近开关的规格电容接近开关的规格电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用 电容式接近开关在物位测量控制电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示中的使用演示电容式料位指示仪的信号转换与控制电路：电容式料位指示仪的信号转换与控制电路：不同材料的非金属检测物对电容式接不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响近开关动作距离的影响硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1 1加速度测试单元加速度测试单元 2 2信号处理电路信号处理电路 3 3衬底衬底 4 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 5 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极） 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间