传感器第五章

1、安农大经济技术学院安农大经济技术学院 24/28/2022主要内容 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性5.3 电容式传感器的等效电路（自学）电容式传感器的等效电路（自学）5.4 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 34/28/2022 学习要求 1、掌握掌握变极距、变面积、变介质电容式传感器的工变极距、变面积、变介质电容式传感器的工作原理，特点及应用。作原理，特点及应用。 2、熟悉熟悉常用电容式传感器的常用检测

2、电路及特点。常用电容式传感器的常用检测电路及特点。 3、学习学习应用电容式传感器。应用电容式传感器。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 44/28/2022电容式传感器的是： 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 电容器小几十几百微法，具有高输出阻抗; 静电引力小（极板间），工作所需作用力很小； 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； 可进行非接触测量。 5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工作原理和结构安农大经济技术学院安农大经济技术学院 54/28/2022电容式传感器的： 传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面

3、、成份含量等方面的测量。安农大经济技术学院安农大经济技术学院 64/28/2022电容式接近开关电容式接近开关电容式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器各种电容式传感器安农大经济技术学院安农大经济技术学院 74/28/2022 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作动作”信号。信号。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 84/28/2022 由

4、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 dSdSCr0（5-1） +dS 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 94/28/2022 当被测参数变化使得S、 d或发生变化时， 电容量C也随之变化。如果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。电容式传感器可分为、 和三种。安农大经济技术学院安农大经济技术学院 104/28/2022图5-1 电容式传感元件的各种结构形式哪些属于变极距哪些属于变极距型、型、 变面积型变面积型和变介电常数型和变介电常数型安农大经济技术学院安农大经济技术学院

5、 114/28/20225.1.1 变极距型电容传感器变极距型电容传感器图5-2 变极距型电容式传感器 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 124/28/2022当传感器的r和S为常数，初始极距为d0时，由式（5-1）可知其初始电容量C0为 000dSCr（5-2） 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，则有 000001rSCCCCdddd （5-3） 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 134/28/2022图5-3 电容量与极板间距离的关系 CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d安农大经济技术学院安农大经济技术学院 144/28/2022 在式（5-3）中，若d

6、/d01时，则展成级数：2300000011ddddCCCdddd（5-4） 此时C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 154/28/2022另外，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质, 如图 5-4 所示。gdgd00图5-4 放置云母片的电容器安农大经济技术学院安农大经济技术学院 164/28/2022表表5-1 电介质材料的相对介电常数电介质材料的相对介电常数 安农

7、大经济技术学院安农大经济技术学院 174/28/2022gdgd00000ddSCgg（5-5） 式中：式中：g云母的相对介电常数，云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度；空气隙厚度； dg云母片的厚度。云母片的厚度。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 184/28/2022 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，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF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

8、， 故在微位移测量中应用最广。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 194/28/20225.1.2 变面积型电容式传感器变面积型电容式传感器 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容变化量为 00rx bCCCd (5-6) C0=0r ba/d为。初始电容初始电容C0？安农大经济技术学院安农大经济技术学院 204/28/2022电容相对变化量为 axCC0(5-7) 这种形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 214/28/2022图5-5 变面积型电容传感器原理图

9、 bxadxS安农大经济技术学院安农大经济技术学院 224/28/2022图5-6 电容式角位移传感器原理图 动极板定极板安农大经济技术学院安农大经济技术学院 234/28/2022 图5-6是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当=0时，则 0000dSCr(5-8) 式中： r介质相对介电常数； d0两极板间距离； S0两极板间初始覆盖面积。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 244/28/2022当0时， 则 000001CCdSCr（5-9） 传感器的电容量C与角位移呈线性关系。 安农大经济技术学院安农大

10、经济技术学院 254/28/20225.1.3 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 264/28/2022图5-7 电容式液位变换器结构原理图 DdHh1安农大经济技术学院安农大经济技术学院 274/28/2022变换器电容值为： dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011式中： C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 即 dDnHC120(5-10) 可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。安农大经济技术学院安农大经济技术学院 284/28/2022图5-8 变介质型电容式传感器 L0Ld0r1r

11、2变介质型电容传感器有较多的结构形式，图5-8是一种常用的结构形式。安农大经济技术学院安农大经济技术学院 294/28/2022图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。 传感器总电容量C为 02010021)(dLLLbCCCrr(5-11) L0Ld0r1r2安农大经济技术学院安农大经济技术学院 304/28/202202000) 1(LLCCCCCr 若电介质r 1=1, 当L=0时，传感器初始电容C0=0L0b0/d0。 当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为 (5-12) 可见，。 安农大经济

12、技术学院安农大经济技术学院 314/28/20225.2 电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性前面已得到： 电容的相对变化量为 0001ddddCC(5-13) 当|d/d0|1时，按级数展开，可得 30200001ddddddddCC(5-14) 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 324/28/2022可见，输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间成非线性关系，当|d/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系： 00ddCC(5-15) 电容传感器的灵敏度为 001/ddCCK(5-16) 说明：单位输入位移所引起的输出电容相对变化说明：单位输入位移所引起的输出

13、电容相对变化的大小（即灵敏度）与的大小（即灵敏度）与d d0 0呈反比关系呈反比关系。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 334/28/2022如果考虑式（5-14）中的线性项与二次项， 则 0001ddddCC(5-17) 由此可得出传感器的相对非线性误差为 %100%100|/|)/(0020dddddd(5-18) 由式（5-16）与式（5-18）可以看出：安农大经济技术学院安农大经济技术学院 344/28/2022图5-9 差动平板式电容传感器结构图 00d1d2C1C2S 在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。如图5-9示。 安农大经济技术学院安农大经

14、济技术学院 354/28/2022在差动式平板电容器中，当动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d, 则 002001/11/11ddCCddCC(5-19) (5-20) 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 364/28/2022在d/d0 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 则有 10UddUo（5-43） 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 614/28/2022同样， 在变面积电容传感器中， 则有 1USSUo（5-44） 由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低

15、通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 624/28/2022实际应用的差动式脉冲调宽电路安农大经济技术学院安农大经济技术学院 634/28/20225.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 5.5.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 644/28/2022电容式差压变送器内部结构电容式差压变送器内部结构 1高压侧进气口 2低压侧进气口 3过滤片 4空腔 5柔性不锈钢波 纹隔离膜片 6导压硅油 7 凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极 9弹性平膜片 10 腔安农大经济技术学院安农大经济技术学院 654

16、/28/2022 差动式电容压力传感器安农大经济技术学院安农大经济技术学院 664/28/2022 差动电容式压力传感器的结构图。 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时， 所形成的两个电容器的电容量，一个增大， 一个减小。 该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 674/28/2022被测介质的高低压力分别进入测量元件的高低压室，作用于隔离膜片上，填充液把两隔离膜片的压力信号传送到中心测量膜片上，中心测量膜片是一个张紧的弹性元件，作用在其上的两

17、侧压力差使中心测量膜片产生一个对应于压力差的变形，其变形位移与所测压力差成正比，这个位移使电容极板产生相应的电容变化，电子线路检测到这一电容变化并放大转换成对应的电流信号。如果低压室通大气，高压室接被测介质，这时就可测量介质的相对压力相对压力。同样，如果低压室为真空，高压室接被测介质，这时就可测量介质的绝对压力绝对压力。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 684/28/2022各种电容式差压变送器外形各种电容式差压变送器外形 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 694/28/2022各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续） （参考（参考丹东长隆丹东长隆 自控有限公司自

18、控有限公司 资料）资料）法兰法兰安农大经济技术学院安农大经济技术学院 704/28/2022各种电容式压力变送器外形（续）各种电容式压力变送器外形（续） 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 714/28/2022利用电容差压变送器测量液体的液位利用电容差压变送器测量液体的液位 施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比： p = g h安农大经济技术学院安农大经济技术学院 724/28/20225.5.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 图5-18 差动式电容加速度传感器结构图 621C1C25d1d2431固定电极；2绝缘垫；3质量块；4弹簧；5输出端；6壳体安农大经济技术学院安农大经济技

19、术学院 734/28/2022电容式加速度传感器结构示意图安农大经济技术学院安农大经济技术学院 744/28/2022 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， 质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大， 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 754/28/2022加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器在汽车中的应用 加速

20、度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 764/28/2022汽车气囊的保护作用汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 774/28/2022汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用安农大经济技术学院安农大经济技术学院 784/28/2022利用加速度传感器实现利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹延时起爆的钻

21、地炸弹传感器安装位置传感器安装位置安农大经济技术学院安农大经济技术学院 794/28/2022 电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种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。5.5.3 电容式接近开关电容式接近开关 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 804/28/2022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安农大经济技术学院安农

22、大经济技术学院 814/28/2022非齐平式接近开关的安装非齐平式接近开关的安装 非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。安农大经济技术学院安农大经济技术学院 824/28/2022全密封防水式远距离式（大量程）安农大经济技术学院安农大经济技术学院 834/28/2022电容接近开关的规格电容接近开关的规格安农大经济技术学院安农大经济技术学院 844/28/2022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安农大经济技术学院安农大经济技术学院 854/28/2022 电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用安农大经济技

23、术学院安农大经济技术学院 864/28/2022 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安农大经济技术学院安农大经济技术学院 874/28/2022 C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。 5.5.4 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器安农大经济技术学院安农大经济技术学院 884/28/20225.5.4 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极， 而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化， 将引起电容量的变化， 用交流电桥将电容的变化测出来， 经过放大即可由电表指示测量结果。 安农大经济技术学院安农大经济技术学院 894/28/2022图 5-19 差动式电容测厚仪系统组成框图 音 频 信 号 发