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1、第6章电容式传感器,概述,电容式传感器,电容式传感器的特点是：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。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、成份含量等方面的测量。,概述,电容式传感器,各种电容式传感器,概述,电容式传感器,电容式传感器典型应用,6.1电容式传感器的工作原理和结构,电容式传感器将被测非电量的变化转换为电容量变化。平板电容器的电容根据被测参数的变化分：变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器
2、(A)变介质型电容传感器(),变极距(）型:(a)、(e)变面积型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数()型:（i）(l),变极距型电容传感器,变极距型电容传感器基本特性,若d从d0d0-d,电容量C0C0+C,则有,当时,变极距式电容传感器有近似线性关系,此时灵敏度,为了获得高灵敏度,一般d0(0.1-1mm)较小,但d0过小易引起电容器击穿或短路。电容C与极距d成非线性关系,为了减小非线性误差,通常d变化范围此类电容传感器仅适于微小位移的测量(0.01um数百微米)。,变极距型电容传感器基本特性,结论,怎么办呢？,一般变极距型电容式传感器的起始电容在 20100
3、pF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,故在微位移测量中应用最广。,对于云母，,图6-3 放置云母片的电容器,云母片的相对介电常数为空气的7倍,击穿电压远远高于空气的,因此可使极板之间的起始距离大大减小。,变极距型电容传感器双介电层,变极距型电容传感器灵敏度/非线性,1.灵敏度（变极距型）2.非线性,（忽略了线性及以上高次项）,泰勒展开,非线性误差：,目的：1.提高灵敏度2.减小非线性误差,非线性误差：,灵敏度：,变极距型电容传感器差动平板式,变面积型电容传感器,变面积型电容传感器,图6-5 变面积型电容式传感器原理图,变面积型电容传感器的优点是:输出与输入成
4、线性关系,但与变极距型相比,灵敏度低,适用于较大角位移量及直线位移的测量。,变面积型电容传感器,圆筒形电容器的电容为：,其中x为覆盖的长度,变介质型电容式传感器,柱式,7,电容的增量正比于被测液位高度,可测量一种流体的液位高度,6-7,变介质型电容式传感器,平板式,8,电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。,电容传感器的等效电路,简化,计算有效电容Ce:,两点注意：1.工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏了电容的正常作用。因此,工作频率应该选择低于谐振频率。2.电容式传感器的有效电容除与位移有关外,
5、还与角频率有关。因此,在实际应用时必须与标定的条件()相同。,6.2电容式传感器的测量电路,电容传感器的特点：电容量小、变化更小（PF级）。理论上,交流电桥可作为电容传感器的测量电路,但由于电容及变化太小,不易实现。常采用：1.调频电路2.运算放大器式电路3.脉冲宽度调制电路4、电桥电路,调频电路,11,特点：转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01m级位移变化量。但非线性较差,可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后,进行补偿。,6-9,运算放大器式电路,运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）,特点：1.输出电压与极板距
6、离d成正比2.要求Zi及放大倍数足够大3.为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定4.由于Cx变化小,所以该电路实现起来困难,图6-10 运算放大器式电路原理图,脉冲宽度调制电路,C1充电,VF。当VF Uc时,Q=0,信号反转,Q=1。C1经D1放电。C2充电,VG。当VG Uc时,Q=0，Q=1,再次反转。C2经D2放电。,C1和C2为差动电容,脉冲宽度调制电路,uA,uB,uAB,t,t,t,U1,U1,U0,0,0,0,T1,0,Uc,uF,t,T2,0,Uc,uG,t,输出电压uAB经低通滤波后,便可得到一直流输出电压Uo,值为A、B 两点电压平均值uA与uB之差，即,式中
7、:T1、T2分别为C1、C2充至Uc需要的时间,即A点和B点的脉冲宽度;U1为触发器输出的高电位。,脉冲宽度调制电路,设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0,R1=R2,当d1=d0-d,d2=d0+d时,有,直流输出电压uAB与极距变化量成正比。,或,脉冲宽度调制电路,对于差动式变极距型电容式传感器,对于差动式变面积型电容式传感器,(6-29),(6-30),电桥电路,交流电桥的多种形式,测量电路:电桥电路,交流电桥的输出电压为：,输出与位移成理想线性关系,小结,小结,电容式传感器的优点：(1)输入能量小而灵敏度高。(2)精度高达0.01%。(3)动态特型好，适合测量动态参数。(4)能量损耗
8、小。(5)结构简单，环境适应性好(高温、辐射等)缺点：电缆分布电容影响大。集成电路、双屏蔽传输电缆等降低分布电容影响。广泛用于位移、压力、流量、液位等测量。,6.3电容式传感器的应用,电容式传感器的应用举例 1.电容式料位计,用于水泥、化工、罐装 等传感器静电容：,电容测深度、角度,6.3电容式传感器的应用（1）,电容式压力传感器,17,电容式传感器的应用举例 电容式压力传感器,结构：测量膜片（金属弹性膜片）动片；两个玻璃球面上镀有金属 定片；膜片两侧左右两定中充满硅油。工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，硅油能将 压差 传递到 测量膜片，,电容式传感器的应用举例 电容式压力
9、传感器,当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：PH PL时，膜片PL向弯曲，C1C2；将这种电容变化通过电路转换为电压变化,电容式传感器的应用举例 电容式压力传感器,电容式传感器,电容传感器盒膜结构片,6.3电容式传感器的应用（2）,加速度传感器,6-12,1,6.3电容式传感器的应用（3）,差动式电容测厚传感器,6.3电容式传感器的应用（3）,差动式电容测厚传感器,19,6.3电容式传感器的应用（4）,图6-13 电容式传声器,6.3电容式传感器的应用（4）,电容式传声器,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
10、率计显示代表转速。设齿数为z,频率为f,则转速为,6.3电容式传感器的应用（5）,1齿轮 2定级 3电容式传感器 4频率计,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面,使膜片产生位移。,6.3电容式传感器的应用（6）,6.3电容式传感器的应用（7）,电容式接近开关,6-1 说明电容式传感器的工作原理及其类型?6-2 推导差动式变极距型电容式传感器的灵敏度和非线性误差，并与单一型传感器做比较。6-3 说明脉冲宽度调制电路的工作原理及在差动电容相等和不相等时的各点电压波形。6-4 变极距型平板电容式传感器，d0=1mm，要求测量线性度为0.1%，求允许测量的最大变化量。,思考题与习题,本 章
11、 结 束,补充实例,图4.1(a)所示为检测汽车发动机吸气管负压的传感器。由于压力膜盒发生位移，用差动变压器取出比例于这个位移的电压。测量这个电压，使求得负压。图(b)是另一种传感器示例。由于植物生长使挂在线(靠滑轮改变方向)另一端的法码下降。这个位移量作为差动变压器的输出电压。,补充实例,差动变压器时将机械位移转换为电压的装置。机械位移交流电压除厚度、伸长、松弛、角度等外，还有压力、荷重、转距、流量等工业量都可容易地变换成位移，进而用差动变压器变换成电压。成为直流后，就也可以利用电位差式自动平衡仪了。,补充实例,图6.2(a)所示是用差动变压器替代应变片的重量传感器，无重量时输出电压V为0，
12、但有重量时平衡梁的左边向下倾斜，铁芯向上方位移出现电压V。要使这种传感器能进行精确的测定，也需要和图6.1的传感器相同的条件1)3)。,补充实例,图(b)所示的是一种叫做电子秤的、精度很好的重量传感器。平衡梁的右边，除差动变压器的铁芯外，还连接有线圈C。线圈被置于磁铁M的磁场中。若线圈上有电流，则电流和磁场间有电磁力(和线圈电流成正比)的作用，因而线圈被向下拉。电路A的任务是供应线圈电流I，起特殊作用，即在差动变压器有输出电压V期间，逐渐增加电流I，而当电压V变为零的时刻停止I的增加。有重量时失去平衡，出现电压V。因此，有电流I，平衡梁右侧被向下拉。结果，确定了能使平衡梁处于力平衡状态的电流。而这个电流I产生电压。图(a)所示为偏位法测量方法，需要测定E和V，而图(b)所示是零点法测量方法，与E无关，只要精密地测定电压便可求得重量。又因为是力平衡状态下的测定，所以在机械弹簧中有非线性特性，对测定也无影响。,
