检测与传感第五章

检测与传感技术上节内容复习第5章

电容式传感器

4.电容式传感器分类1.原理被测量电容变化电压电流2.特点体积小、非接触与电感式的区别：电感多对金属物测量（抗干扰能力差）电容对金属、非金属3.计算公式变极距型变面积型变介质型5.非线性误差（只有变极距型有非线性误差）非线性误差消除方法：差动式()由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。下图是运算放大器式电路原理图。2.运算放大器式电路图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压;Σ是虚地点。5.4电容式传感器的测量电路式中“-”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。上式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。如果传感器是一只平板电容，则Cx=εA/d，代入上式，可得：

由运算放大器工作原理可得：【注】：这种测量电路最大的特点在于能够克服变极距型电容传感器的非线性！下图是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。3.二极管双T形交流电桥

图5-13二极管双T形交流电桥若传感器输入不为0，则C1≠C2,I1≠I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为：（5-34）式中,f为电源频率。当RL已知，式（5-34）中:则式(5-34)可改写为:（5-35）从式（5-35）可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。脉冲宽度调制电路是利用对传感器电容的充、放电，使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，并通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。

a．原理

脉冲宽度调制电路如下图所示。4.脉冲宽度调制电路脉冲调制电路的输出波形a）C1=C2时的波形b）C1>C2时的波形

①

可以获得比较好的线性输出。

②双稳态的输出信号一般为100Hz~1MHz的矩形波，只需要经滤波器简单处理后即可获得直流输出。

③电路采用直流电源，比高频信号源稳定。

b.特点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，调宽频率的变化对输出没有影响。电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A和极间介电常数

。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。

5.5电容式传感器的应用1.电容式压力传感器差动式电容压力传感器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。2.电容式加速度传感器差动式电容加速度传感器结构图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。Colibrys

MS9000系列是一个电容式MEMS加速度计，它是由一个立体微加工工艺支撑的硅元件，一个低功耗ASIC专用信号处理器和一个存储补偿值的微控制器以及一个温度传感器等元件组成。该产品是一个低功耗的、校准的、功能强大和性能稳定的产品，其电子配置中带有一个电源重置以防止电压不稳的全保护装置。

超小型，8.9mm

x

8.9mm具有从±2g到±250g广泛的加速度测量范围可在较大的温度范围应用器件零位稳定保证在几mg以内适用于恶劣的使用环境和耐用度要求极高的应用领域加速度传感器在汽车中的应用当测得的负加速度值超过设定值时，气囊电控单元据此判断发生了碰撞，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。装有多种碰撞参数测量传感器的假人气囊汽车气囊的膨胀状态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。如果碰撞传感器安装在侧面，则在侧面碰撞时，侧面气囊膨胀。汽车气囊对驾驶员的保护作用

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;

大多采用空气作阻尼物质。电容测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的仪器，其工作原理右图所示。

3.电容测厚仪

在被测金属带材的上、下两侧各安装一块面积相等、与带材距离相等的极板，并把这两快极板用导线连接起来，作为传感器的一个电极板，而金属带材就是电容传感器的另一个极板。

a．电容测厚仪结构1—金属带材，2—电容极板，3—传动轮，4—轧辊。其总的电容量C就应是两个极板间的电容之和（C=C1+C2）。b．原理如果带材的厚度发生变化，用交流电桥电路就可将这一变化检测出来，然后再经过放大就可在显示仪器上把带材的厚度变化显示出来。接近开关也叫近接开关，又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。电容式接近开关涡流式接近开关霍尔接近开关光电式接近开关

超声波接近开关

微波接近开关4.电容式接近开关

a．结构其中装在传感器主体上的金属板为定板，而被测物体上的相对应位置上的金属板相当于动板。

b．工作原理以电极为检测端的静态感应方式，由高频振荡、检波、放大、整形及输出等部分组成。

当被测物体接近开关的作用表面时由于两者之间的距离发生了变化，回路中的电容量将发生变化，使得高频振荡器的振荡减弱直至停振。电容式接近开关振荡器的振荡及停振这两个信号是由电路转换成开关信号后送至后续开关电路，从而完成传感器按预先设置的条件发出信号，控制或检测机电设备，使其正常工作的任务。

1－被测物2－上检测极板（或内圆电极）3－下检测极板（或外圆电极）4－充填树脂5－测量转换电路板6－塑料外壳7－灵敏度调节电位器RP8－动作指示灯9－电缆UR－比较器的基准电压工作原理:电容接近开关的感应板由两个同心圆金属平面电极构成。当没有被测物体靠近电容接近开关时，由于C1与C2很小，RC振荡器停振。当被测物体朝着电容接近开关的两个同心圆电极靠近时，两个电极与被测物体构成电容C，接到RC振荡回路中，等效电容C等于C1、C2的串联结果。当C增大到设定数值后，RC振荡器起振。振荡器的高频输出电压uo经二极管检波和低通滤波器，再经直流电压放大电路放大后，Uo1与灵敏度调节电位器RP设定的基准电压UR进行比较。若Uo1超过基准电压时,比较器翻转,输出动作信号(高电平或低电平),从而起到了检测有无物体靠近的目的。电容式接近开关外形齐平式非齐平式全密封防水式远距离式（大量程）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液位物位测量控制中的使用对应的光柱显示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中的使用

棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。

聚四氟乙烯外套5.电容式液位计电容式液位限位传感器

液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平（或高电平）。

智能化液位传感器的设定方法：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。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。6.电容式油量表电容式油量表示意图1－油箱2－圆柱形电容器3－伺服电动机4－减速箱5－油量表电容量越大，所接收到的电台的频率就越低电容器在收音机中用于调整所要接收的电台的频率7.电容式传感器在收音机中的应用例：有一台变间隙非接触式电容测位移，其传感器的极板半径r=4mm，假设与被测工件的初始间隙d0=0.3mm。试求：传感器与工件的间隙变化量△d=±10µm，电容变化量为多少?

如果考虑d1=0.3mm+10µm与d2=0.3mm﹣10µm之间的电容变化量ΔC′，则应为：

ΔC′=2|ΔC|=2×0.049=0.098pF

解：由题意可求（1）初始电容：由，则当Δd=±10µm时5-1根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？第五章习题答：电容式传感器可分为变极距型、变面