传感器技术应用-3

2023年12月31日第3章

电容式传感器

本章的主要内容有:1.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;3.电容式传感器的结构类型;4.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。2023年12月31日第二章主要讲述了电阻式传感器，其主要内容有：回顾：1、定义：电阻式传感器2、分类：1）按工作的原理可分2）按制作方式分3、电阻应变式传感器--应变片1）原理：: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)的变化而发生变化象。2023年12月31日3）金属丝应变片：对金属材料，导电率不变：2）应变片的电阻变化率：4）半导体应变计2023年12月31日4、应变片测量电路VER1R2R3R42023年12月31日第3章

电容式传感器

1、变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化2、优点：结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉。3、缺点：电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限4、应用：测量压力、力、位移、振动、液位等参数。2023年12月31日3.1电容式传感器的原理与类型

电容式传感器的基本工作原理如图所示，从中可看出，є，A，d三个参数都直接影响着电容量C的大小。所以电容式传感器可以分为三种类型：1、改变极板面积的变面积式；2、改变极板距离的变间隙式；3、改变介电常数的变介电常数式。

+++

A

δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。2023年12月31日3.1.1变面积式电容传感器（1）直线位移型当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为其灵敏度为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。2023年12月31日下图是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为

角位移型+++（2）角位移型2023年12月31日（3）园柱型电容传感器下图是园柱型，当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化2023年12月31日3.1.2变间隙式电容传感器（改变极间距离）

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A，其静态电容量为，当活动极板移动x后，其电容量为

2023年12月31日例：电容式传声器2023年12月31日

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高绝缘性，1、电容量C与x不是线性关系，只有当

x＜＜d时，才可认为是最近似线形关系。2、要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小。3、当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。5、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。

讨论：当x＜＜d时则2023年12月31日3.1.3变介电常数式电容传感器

1）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物位或液位，也可测量位移。2023年12月31日振荡电路感应电极被测物体2）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;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。2:电容式转速传感器的结构原理2023年12月31日3.2常用测量电路

3.2.1双T电桥电路

1）测量电路电路原理如图所示。图中C1、C2为差动电容式传感器的电容，RL为负载电阻，V1、V2为理想二极管，R1、R2为固定电阻。2）原理分析见下图图3.2.1双T电桥电路C1C2R2R1RL～uV2V1常用电路有:双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。2023年12月31日当V1导通、V2截止时C1充电；反之V1截止、V2导通时C2充电，由图中可以看出，一路通过R1、RL，另一路通过R1、R2、V2，这时流过RL的电流为i1。

若C1或C2变化时，在负载RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。

I.

有一个公共接地点。II.

V1和V2工作在伏安特性的线性段。III.

输出电压较高。IV.

灵敏度与电源频率有关。V.

可以用作动态测量。3）双T电桥电路的特点：2023年12月31日3.2.2运算放大器式测量电路

电路的原理如上图所示。其输出电压以代入上式，则有输出电压u0与动极片位移d成线性关系。

2023年12月31日3.2.3脉冲调制电路

这种电路根据差动电容C1和C2的大小控制直流电压的通断，所得方波与C1和C2有确定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触发器的两个输出端。当C1=C2时，两个电容充电时间常数相等，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。反之不为零，且T1正比于C1，而T2正比于C2，输出电压为可见，输出电压与电容变化成线性关系。

2023年12月31日3.2.4调频电路

测量电路见下图。当电容变化时导致振荡频率变化，再通过监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。振荡频率为2023年12月31日3.3电容式传感器的应用

3.3.1在物位测控中的应用

3.3.1.1LP-5000系列电容物位变送器

可用于高压、真空、高温、低温、密封罐内的酸、碱、盐等强腐蚀液体、强震动等的液位、料位测量，却是许多种类的物、液位计望尘莫及的。

3.3.1.2CTS-DFD电容式物位限位开关这是一种具有高-高、高、低、低-低四点报警开关量输出的射频电容式物位开关，可用于各种物料作物位高度的粗略显示，或同时作物位高度的控制和报警使用。2023年12月31日3.3.2在压力测量中的应用

3.3.2.1

CCPS32陶瓷电容压力传感器CCPS32干式陶瓷电容厚膜压力传感器的高输出，广量程，特别适合制造高性能的工业控制用压力变送器。大圆形膜片表面平整、易安装，是欧美E+H、ABB、SIEMENS、H&Ｂ、VEGA等公司压力变送器生产首选传感器。3.3.2.2FB0802陶瓷电容型压力变送器FB0802陶瓷电容压力变送器采用具有国际先进水平的陶瓷电容传感器，配合高精度电子元件，经严格的工艺过程装配而成。抗过载和抗冲击能力强，稳定性高，并有很高的测量精度。2023年12月31日3.3.2.31151系列电容式变送器1151系列电容式变送器是引进美国罗斯蒙特公司技术制造的产品,具有设计原理新颖、品种规格齐全、安装使用简便、本质安全防爆等特点。其外形结构如图所示。

1）工作原理被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和δ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，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成4-20mA的2023年12月31日

2）主要特点I.

精度高、稳定性好、价格比同类进口便宜；II.

采用二线制的工作方式；III.

敏感元件小型坚固，抗振能力强；IV.

量程和零位可从外部连续调节；V.

主要部件可与1151同类产品进行互换；VI.

可靠性好，质量稳定，VII.

故障率少；VIII.

正迁移可达500％，负迁移可达600；

2023年12月31日3.3.3在位移测量中的应用

3.3.3.1capaNCDT610电容式位移传感器其结构如左图所示。传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比，经检波器与一个可设置的补偿电压叠加经放大后作为模拟信号输出。

1)应用领域主要用于震动、偏心、裂纹、振荡、同心度、位移、膨胀、挠度、波动、倾斜、尺寸公差、另件识别、

冲击、轴向振动、轴承振动和油膜间隙等。

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2）特点：I.

工作时无磨损，免维修；II.

高的零点稳定性和精度；III.

几乎与温度无关；IV.

传感器对被测体没有作用力；V.

与被测体导电性能，以及导电性能变化无关；

2023年12月31日3）系统结构

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。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。2023年12月31日

其中，前置器DT610：供电±15VDC；输出0—10V；（可选）DC24：供电DC24VDC；输出0—10V；或DC9/36：供电9—36VDC；输出0—10V。4）技术参数在室温20℃，传感器电缆长为1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，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。

2023年12月31日

5）线性化校准

它在出厂时已用金属材料校准好，输出0—10V。

在精度低时测量范围可扩展2-3倍，如下图所示。

6）传感器和电缆传感器带有保护环，它用1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0.5—1%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（如右图所示）。2023年12月31日3.3.3.2TR230型容栅测微传感器

1)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，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。2)外型尺寸

具体结构尺寸为：TR230型的L0=31（mm），L=194（mm）；2023年12月31日3）技术指标I.

测量范围：0-30mm/0-50mm/0-100mmII.

分辨率：0.01mm、0.005mmIII.测力：≤2.5NIV.

最大移动速度：1.5M/sV.

工作温度：10℃-40℃VI.

存储温度：0℃-55℃2023年12月31日3.3.4电容式指纹传感器

电容式指纹传感器有单触型和划擦型两种，是目前最新型的固态指纹传感器，它们都是通过在触摸过程中电容的变化来进行信息采集。3.3.4.1指纹检测人类的指纹由紧密相邻的凹凸纹路构成，通过对每个像素点上利用标准参考放电电流，便可检测到指纹的纹路状况。每个像素先预充电到某一参考电压，然后由参考电流放电。电容阳极上电压的改变率与其上的电容成下面的比例关系：

Iref=C×dv/dt

处于指纹的凸起下的像素(电容量高)放电较慢，而处于指纹的凹处下的像素(电容量低)放电较快。2023年12月31日3.3.4.2信息及认证便携式低成本指纹识别技术对我们的生活意义深远。例如，今后警察可在一个犯罪高发区截住一名嫌疑人，要求其提供指纹而不是身份证或汽车驾照。此人则将其右手的第一、二或第三个手指置于一个与无线PDA相连的传感器上，可以迅速将嫌疑人与以前的犯罪记录进行对比确认。这种识别技术对于被盗的手机用户也有好处。手机开机时要求用户通过一个快速的认证过程，用户将其手指划过传感器，如果通过认证则授权使用手机的各项功能。如果不是授权用户，手机便继续保持锁住。如果连续几次认证无法通过，则手机会删除存储器中的关键信息然后关机。2023年12月31日3.4电容式接近开关电路的设计与制作一、结构原理与类型

1、工作原理如图所示：+++

A

δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。2023年12月31日2、变间隙式电容传感器

其静态电容量为当活动极板移动x后，其电容量为2023年12月31日二、电容式接近开关1、原理框图

2023年12月31日振荡电路感应电极被测物体2、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;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。2023年12月31日3、实物图2023年12月31日4、电路原理

2023年12月31日5、注意事项1）C4093为CMOS集成电路，很容易被电烙铁所带的静电击穿，所以在制作时，最好先焊一个集成电路插座，待电路经检查无误后再把CD4093插入插座。2）电容C4是灵敏度调节电容，若需要该电路以最大灵敏度工作时，可以先调节C4使继电器刚好吸合，再调节C4使继电器刚好断开，然后用高频蜡或绝缘漆把C4封牢即可。2023年12月31日三、其它应用实例1、电容式传声器2023年12月31日2023年12月31日2、电容式转速传感器

当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z,频率为f,则转速为:

(4.2023年12月31日3、电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度，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。2023年12月31日4、1151系列电容式变送器1151系列电容式变送器是引进美国罗斯蒙特公司技术制造的产品,具有设计原理新颖、品种规格齐全、安装使用简便、本质安全防爆等特点。其外形结构如图所示。2023年12月31日

1）工作原理被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和δ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，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成4-20mA的2023年12月31日

2）主要特点I.

精度高、稳定性好、价格比同类进口便宜；II.

采用二线制的工作方式；III.

敏感元件小型坚固，抗振能力强；IV.

量程和零位可从外部连续调节；V.

主要部件可与1151同类产品进行互换；VI.

可靠性好，质量