电容式传感器及应用

电容式传感器及应用第一页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/20231引言电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器。结构简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作。很有发展前途的传感器。第二页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/20232目录3.1电容式传感器工作原理及类型3.2电容式传感器的转换电路3.3电容式传感器的应用第三页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202333.1电容式传感器工作原理及类型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，其电容量为保持其中两个参数不变，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。电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式3种类型。 第四页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202343.1.1变面积式电容传感器面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。第五页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/20235面积变化型电容传感器原理第六页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/20236（a）为平板形位移电容传感器。设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx也随之改变。电容的相对变化量和灵敏度为

第七页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/20237差动结构形式提高测量精度，减少动极板与定极板之间的相对极距可能变化而引起的测量误差。中间极板移动变面积式电容传感器原理第八页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/20238（b）为圆柱线位移电容传感器灵敏度K也为一常数。第九页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/20239（c）为角位移形式的电容传感器。当动极板有一角位移时，两极板的相对面积A也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化当时当时 第十页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202310推导过程电容与角位移成线性关系。其灵敏度为变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一常数。第十一页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023113.1.2变极距式电容传感器两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则电容量C随极距d按非线性关系变化，第十二页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202312电容值动极板2未动时传感器初始电容（）。当动极板2移动x值后，第十三页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202313结论分析当时

电容与x

近似线性关系，但量程缩小很多，变极距式电容传感器的灵敏度为

第十四页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202314极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小灵敏度越高。但过小，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。原理上的非线性，要修正。差动工作方式，电容传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了很大的改善，第十五页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202315结论极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高（可达nm级），适应于较小位移（1nm～1m）的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容（如电缆电容、分布电容等）的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂第十六页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023163.1.3变介电常数式电容传感器介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。第十七页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202317介质变化型电容传感器结构第十八页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202318结论传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面h成线性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h。第十九页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023193.2电容式传感器的转换电路电容传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还需由后接的转换电路将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。第二十页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202320转换电路的组成部分1．交流电桥2．调频电路3．运算放大式电路4．脉冲宽度调制电路5．二极管双T型交流电桥第二十一页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023211．交流电桥将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由电阻-电容、电感-电容组成的交流电桥，图3-6为电感-电容电桥。第二十二页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202322分析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桥供电。电桥的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、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。第二十三页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023232．调频电路把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络中，被测量的变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化。频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。第二十四页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023242．调频电路的特点测量电路的灵敏度很高，可测0.01m的位移变化量，抗干扰能力强（加入混频器后更强），缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，输出电压U0与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂。第二十五页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023253．运算放大式电路极距变化型电容传感器的电容与极距之间的关系为反比关系，传感器存在原理上的非线性。利用运算放大器的反相比例运算可以使转换电路的输出电压与极距之间关系变为线性关系，从而使整个测试装置的非线性误差得到很大的减小。第二十六页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202326特点运算式电路的原理较为简单，灵敏度和精度最高。但一般需用“驱动电缆”技术来消除电缆电容的影响，电路较为复杂且调整困难。第二十七页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023274．脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路（PWM）是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，然后通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。第二十八页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202328第二十九页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202329特点能获得线性输出；双稳态输出信号一般为100kHz～1MHz的矩形波，所以直流输出只需经滤波器简单引出，不需要解调器，即能获得直流输出。电路采用稳定度较高的直流电源，这比其他测量线路中要求高稳定度的稳频、稳幅的交流电源易于做到。如果将双稳态触发器Q端的电压信号送到计算机的定时、计数引脚，则可以用软件来测出占空比q，从而计算出ΔC的数值。这种直接采用数字处理的方法不受电源电压波动的影响第三十页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023305．二极管双T型交流电桥二极管双T型交流电桥电路原理图。e是高频电源，它提供幅值为Ui的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的2个二极管，R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。第三十一页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023313.3电容式传感器的应用电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。第三十二页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202332分类1．电容式接近开关2．电容式油量表3．电容式差压传感器4．电容测厚仪第三十三页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023331．电容式接近开关1—检测极板2—充填树脂3—测量转换电路4—塑料外壳

5—灵敏度调节电位器6—工作指示灯7—信号电缆第三十四页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202334工作过程（1）检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量C非常小，它与电感L构成高品质因数（Q）的LC振荡电路，Q=1（ωCR）。当被检测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）时，检测极板对地电容C增大，LC振荡电路的Q值将下降，导致振荡器停振。第三十五页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202335工作过程（2）当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效电容量增大，使LC振荡电路的Q值降低。对能量损耗较大的介质（如各种含水有机物），它在高频交变极化过程中是需要消耗一定能量的，该能量是由LC振荡电路提供的，必然使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的Q值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压U0的大小，可大致判定被测物接近的程度。第三十六页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202336电容式接近开关第三十七页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023372．电容式油量表1—油料2—电容器3—伺服电机4—减速器5—指示表盘第三十八页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202338工作原理当油箱中注入油时，液位上升至h处，电容的变化量ΔCX与h成正比，电容为CX=CX0+ΔCX。此时，电桥失去平衡，电桥的输出电压U0经放大后驱动伺服电动机，由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP滑动，使RP的阻值增大，当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，伺服电动机停转，指针停留在转角θX1处。可从油量刻度盘上直接读出油位的高度h。当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动RP滑动，使其阻值减少。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在转角θX2处。如此，可判定油箱的油量。第三十九页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023393．电容式差压传感器1—弹性膜片2—凹玻璃圆片3—金属涂层4—输出端子5—空腔6—过滤器7—壳体第四十页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202340工作原理当被测压力通过过滤器6进入空腔5时，金属弹性膜片1在两侧压力差作用下，将凸向压力低的一侧。膜片和两个镀金玻璃圆片2之间的电容量发生变化，由此可测得压力差。这种传感器分辨率很高，常用于气、液的压力或压差及液位和流量的测量。第四十一页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/202341电容式差压变送器外形第四十二页，共四十五页，2022年，8月28日3/28/2023424．电容测厚仪1—金属带材2