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1、项目四,电容式传感器,一、项目要求,电容式传感器的特点如下：（1）小功率、高阻抗，本身发热影响小。电容式传感器电容量很小，一般为几十到几百微法，因此具有高阻抗输出。（2）小的静电引力和良好的动态特性。电容式传感器极板间的静电引力很小，工作时需要的作用能量极小和它有很小的可动质量，因而有较高的固有频率和良好的动态响应特性。（3）可进行非接触测量。（4）结构简单，灵敏度高，分辨率高。,一、项目要求,【知识要求】1.了解电容式传感器的结构及工作原理。2.掌握电容式传感器的功能及工作特点。3.掌握电容式传感器的测量方法。4.了解电容式传感器的发展方向与应用。【能力要求】1.正确地识别各种电容式传感器及
2、其特点和其在整个工作系统中的作用。2.在设计中，能够根据工作系统的特点，找出匹配的电容式传感器。3.能够准确地判断出传感器的好坏，熟练掌握电容式传感器的测量方法。4.能够设计一个简单的测量电路。,二、相关知识,（一）电容式传感器的工作原理及分类电容式传感器是一种以可变参数的电容器作为传感元件，通过电容传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，因此电容式传感器的基本工作原理可以用如图所示的平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，平板电容器的电容量为,平板电容器,二、相关知识,式中S极板面积；d极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数0=
3、8.851012（Fm1）；电容极板介质的介电常数。,当被测物理量使得式中d、S和r中的某一项或某几项有变化时，就改变了电容C。电容C变化的大小与被测参数的大小成比例，在交流工作时，就改变了容抗XC，从而使输出电压或电流发生变化，这就是电容式传感器的工作原理。,二、相关知识,1变间隙电容式传感器如下图所示是变间隙电容式传感器的结构原理图。图中1是与被测体相连的动极板，2是固定极板(一般称为定极板)。当极板1因被测参数改变而引起移动时，就改变了两极板间的距离d，从而改变了两极板间的电容C。从上式可知，电容C与极板间距d不是线性关系，其关系曲线如图下图所示。,变间隙电容式传感器原理图1动极板；2定
4、极板,Cd关系曲线,二、相关知识,极板面积为S，初始距离为d0，以空气为介质(r=1)的电容器的电容值为,当间隙d0减小d时(设dd0，)，则电容增加C，即,由上式得，电容的相对变化量C/C0为,二、相关知识,因为d/d01，按泰勒级数展开得由式上可见，输出电容的相对变化C/C0与输入位移d之间的关系是非线性的，当d/d01时，可略去非线性项(高次项)，则得近似的线性关系式而电容式传感器的灵敏度为它说明了单位输入位移能引起输出电容变化的大小。,二、相关知识,如考虑式中线性项与二次项，则得式,按式得到的特性为下图中所示的直线1，而按式得到的特性为图中所示的非线性曲线2。式的相对非线性误差为,变间
5、隙电容式传感器的非线性特性,二、相关知识,由式可以看出，要提高灵敏度，应减小起始间隙d0。但d0的减小容易引起电容器击穿，同时对加工精度要求也提高了。为此，经常在两极片间再加一层云母或塑料膜来改善电容器的耐压性能，如图所示，这就构成了平行极板间有固体介质和可变空气隙的电容式传感器。式还表明，非线性随着相对位移的增加而增加，减小d0，相应地增大了非线性。,具有固体介质的变间隙电容式传感器,设极板面积为A，空气隙为d1，固体介质(设为云母)的厚度为d2，则电容C为式中，1和2分别是厚度为d1和d2的介质的相对介电常数。因d1为空气隙，所以1=1。式可简化成,二、相关知识,二、相关知识,以上分析是在
6、忽略电容元件的极板边缘效应下得到的。为了消除边缘效应的影响，可以采用设置保护环的方法，如图所示。保护环与极板1具有同一电位，则可将电板极间的边缘效应移到保护环与极板2的边缘，于是在极板1与2之间得到均匀场强分布。,带有保护环的平板电容器,二、相关知识,2变面积电容式传感器变面积电容式传感器在工作时其极间距离和介电常数保持不变，被测量的变化使两极板的覆盖面积A发生改变，从而得到电容的变化。这种传感器的两个极板中，一个是定极板，另一个是可以移动的，称为动极板。下图是一直线位移电容式传感器的原理图。,直线位移电容式传感器原理图,二、相关知识,当动极板移动x后，极板覆盖面积A就改变，电容C也随之而变。
7、其值为 灵敏度K为,二、相关知识,下图是一齿形极板电容式线位移传感器的原理图。它是一种变形。采用齿形极板的目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。当齿形极板的齿数为n，移动x后，其电容为,齿形极板电容式,二、相关知识,下图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改变，从而改变了两极板间的电容量。当=0时，则,式中r介质相对介电常数；d0两极板间距离；A0两极板间初始覆盖面积。当0时，则,二、相关知识,3变介电常数电容式传感器这种电容式传感器结构形式有很多种。如图所示的是在电容式液面计中经常使用的电容式传感器的形式。图中绘出了另一种测量介质介电常数变化的电容式传
8、感器。,变介电常数电容式传感器,二、相关知识,（二）电容式传感器的误差分析电容式传感器相当于一个可变的电容器，测量的过程中改变其极间距离、极板覆盖面积或介电常数，将这些变化转换成相应的电容变化量，具有高灵敏度和高精度等优点。但实际应用中由于受到温度和湿度环境等因素，以及寄生电容的影响，这些干扰因素会使传感器工作不稳定，测量误差大。所以在设计和应用时一定要进行此类误差分析，注意影响其精度的各种因素。,二、相关知识,1边缘效应与寄生电容的影响（1）缩短传感器至测量线路前置级的距离（2）驱动电缆技术（3）整体屏蔽法,驱动电缆法原理图,整体屏蔽法,2温度对电容式传感器参数的影响3外界因素干扰的影响,二
9、、相关知识,（三）电容式传感器的测量电路电容式传感器中的电容值非常微小，可以用pF级来衡量，其电容变化量微小到还不能直接为目前的显示仪表所显示和记录，不便于传输。因此，只有借助于测量电路检出这一微小电容变量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或频率信号。常用的电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。,二、相关知识,1电容式传感器的等效电路前面对各种类型电容式传感器的线性度和灵敏度的讲述，都是在将电容式传感器基于纯电容条件下作出的，这在实际应用中是允许的。对于大多数电容器，除了在高温、高湿度条件下工作，它的损耗通常可以忽略。在低频以及高温、高湿
10、度环境下工作时，电容器的损耗和电感效应不可忽略，电容式传感器的等效电路如图所示。图中RP为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗。这部分损耗的影响通常在低频时较大，随着频率增高，容抗减小，它的影响也就减弱了。串联电阻RS代表引线电阻，电容器支架和极板的电阻，在几兆频率下工作时，这个值通常是很小的，它随着频率增高而增大。因此，只有在很高的工作频率时，才要加以考虑。,二、相关知识,电容式传感器的等效电路,电感L是由电容器本身的电感和外部引线的电感所组成。电容器本身的电感与电容器的结构形式有关，引线电感则与引线长度有关。如果用电缆与电容式传感器相连接，则L中应包括电缆的电感。由图可见
11、，等效电路有一谐振频率，通常为几十兆赫。在谐振或接近谐振时，它破坏了电容的正常作用。因此，只有在低于谐振频率时（通常为谐振频率的1/31/2），才能正常运用电容传感元件,同时，由于电路的感抗抵消了一部分容抗，传感元件的有效电容Ce将有所增加，Ce可以近似表示为得在这种情况下，电容的实际相对变化量为式表明，电容传感元件的实际相对变量与传感元件的固有电感(包括引线电感)有关。因此，在实际应用时要保证其与标定时的条件相同。,二、相关知识,2 电容式传感器的测量电路（1）运算放大器测量电路,二、相关知识,运算放大器测量电路,二、相关知识,（2）电桥测量电路如图所示为电容式传感器的电桥测量电路，电容式传
12、感器包括在电桥内。用稳频、稳定幅度和固定波形的低阻信号源去激励，最后经电流放大及相敏整流检波得到直流输出信号。从图（a）可以看出平衡条件为,电桥测量电路,二、相关知识,（3）调频测量电路电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化后，就使振荡器的振荡频率发生变化，频率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以用仪表指示或用记录仪器记录下来。用调频系统作为电容式传感器的测量电路主要具有以下特点：抗外来干扰能力强；特性稳定；能取得高电平的直流信号(伏特数量级)。,二、相关知识,调频接收系统可以分为直接放大式调频和外差式调频两种类型。外差式调频线路比较复杂，但选择性高，特
13、性稳定，抗干扰性能优于直接放大式调频。图(a)和图(b)分别表示这两种调频系统。,调频电路方框图,二、相关知识,（4）谐振测量电路图(a)为谐振电路的原理方框图，电容式传感器的电容C3作为谐振回路(L2、C2和C3)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容C3发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化又表现为整流器电流的变化。该电流经过放大后即可指示出输入量的大小。,谐振电路的原理方框图及工作特性,二、相关知识,这种电路的特点是比较灵敏，但缺点是：工作点不容易选好，变化范围也较窄；传感器与谐振回路要离得比较近，否则电缆的杂散电容对电路的
14、影响较大；为了提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性。（5）二极管T型网络,二极管T型网络,当R1=R2=R时，直流输出信号电流Io可以用下式表示：式中，f 为充电电源的频率(Hz)。而输出电压Eo为线路的最大灵敏度发生在1/k1=1/k2=0.57的情况下。,二、相关知识,二、相关知识,线路的最大灵敏度发生在1/k1=1/k2=0.57的情况下。该电路具有如下特点：电源S、传感器电容C1、平衡电容C2以及输出电路都接地。工作电平很高，二极管VD1和VD2都工作在特性曲线的线性区内。输出电压较高。输出阻抗为R1或R2(1100 k)，且实际上与电容C1和C2无关。适当选择电阻R1或R2
15、,则输出电流就可用毫安表或微安表直接测量。,二、相关知识,（6）脉冲宽度调制测量电路脉冲宽度调制测量电路如图所示，设传感器差动电容为C1和C2，当双稳态触发器的输出A点为高电位，则通过R1对C1充电，直到C点电位高于参比电位Uf时，比较器A1将产生脉冲触发，使双稳态触发器翻转。在翻转前，B点为低电位，电容C2通过二极管VD2迅速放电。一旦双稳态触发器翻转后，A点成为低电位，B点成为高电位。这时，在反方向上又重复上述过程，即C2充电，C1放电。,脉冲宽度调制电路,二、相关知识,当C1=C2时，电路中各点电压波形如图(a)所示。由图可见，AB两点平均电压值为零。但是，差动电容C1和C2值不相等时，
16、如C1C2，则C1和C2充放电时间常数就发生改变。这时电路中各点的电压波形如图(b)所示。由图可见，AB两点平均电压值不再是零。,脉冲宽度调制电路电压波形图,二、相关知识,当矩形电压波通过低通滤波器后，可得出直流分量,当差动电容C1C2时,由此可见，对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电容器的极板面积还是极板距离，其变化量与输出量都成线性关系。调宽线路还具有如下一些特点：对元件无线性要求；效率高，信号只要经过低通滤波器就有较大的直流输出；调宽频率的变化对输出无影响；由于低通滤波器作用，对输出矩形波纯度要求不高。,三、项目实施,（一）实施要求（1）通过本项目的实施，在掌握电容式传感器的基本结构和
17、工作原理的基础上掌握电容式传感器的器件识别、故障判断、测量方法和实际应用。（2）该项目需要电容式传感器实训台或相关设备、导线若干、相关的仪表、万用表、示波器。（3）通过项目实施掌握电容式传感器的测量方法，使用要求。,三、项目实施,（二）实施步骤（1）找出电容式传感器在电路中的位置，并判断是什么类型的传感器。（2）分析测量电路的工作原理，观察电容式传感器工作过程中的现象。（3）找出各个单元电路，记录其电路组成形式。（4）按照原理图用导线将电路连接好，检查确认无误后，启动电源。（5）观察各单元电路的工作情况，记录其在工作过程中不同状态下的数据。,四、拓展知识,（一）电容式传感器的应用,1膜片电极式
18、压力传感器结构原理如图所示，由一个固定电极和一个膜片电极形成距离为d0、极板有效面积为a2、改变极板间平均间隙的平板电容变换器组成，在忽略边缘效应时，初始电容值,膜片电极式压力传感器,四、拓展知识,2电容式加速度传感器测量振动使用加速度及角加速度传感器，一般采用惯性式传感器测量绝对加速度。在这种传感器中可应用电容式传感器。一种差接电容式加速度传感器的原理结构示意图如图所示。这里有两个固定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上的直线加速度时，质量块在绝对空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块产生位移，此位移大小正比于被测加速
19、度，使C1、C2中一个增大，一个减小。,电容式加速度传感器的原理结构图,四、拓展知识,3电容式应变计原理结构图如图所示，在被测量的两个固定点上，装两个薄而低的拱弧，方形电极固定在弧的中央，两个拱弧的曲率略有差别。安装时注意两个极板应保持平行并平行于安装应变计的平面，这种拱弧具有一定的放大作用，当两固定点受压缩时变换电容值将减小(极间距增大)。很明显，电容极板相互距离的改变量与应变之间并非是线性关系，这可抵消一部分变换电容本身的非线性。,电容式应变计原理结构图,四、拓展知识,4荷重传感器下图中电容式荷重传感器原理结构图原理结构如图所示。用一块特种钢(其浇铸性好，弹性极限高)在同一高度上并排平行打
20、圆孔，在孔的内壁以特殊的黏合剂固定两个截面为T型的绝缘体，保持其平行并留有一定间隙，在相对面上黏贴铜箔，从而形成一排平板电容。当圆孔受荷重变形时，电容值将改变，在电路上各电容并联，因此总电容增量将正比于被测平均荷重。这种传感器误差较小，接触面影响小，测量电路可装置在孔中。,电容式荷重传感器原理结构图,四、拓展知识,5振动、位移测量仪DWY3型振动、位移测量仪是一种电容、调频原理的非接触式测量仪器，它即是测振仪，又是电子测微仪。主要用来测量旋转轴的回转精度和振摆、往复机构的运动特性和定位精度、机械构件的相对振动和相对变形、工件尺寸和平直度以及用于某些特殊测量等。作为一种通用性的精密测试仪器得到广
21、泛应用。在测量时，首先调整好传感器与被测工件间的原始间隙d0，当轴旋转时因轴承间隙等原因使转轴产生径向位移和振动d，相应地产生一个电容变化C，DWY3型振动、位移测量仪可以直接指示出d的大小，配有记录和图形显示仪器时，可将d的大小记录下来并在图像上显示其变化的情况。,它的传感器是一片金属片，作为固定极板。而以被测构件为动极板组成电容器，测量原理如图下所示。,四、拓展知识,测量旋转轴的回转精度和振摆示意图,四、拓展知识,6电容测厚仪电容测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的。它的变换器就是电容式厚度传感器，其工作原理如图所示。在被测带材的上、下两边各置一块面积相等且与带材距离相同的极板，这
22、样极板与带材就形成两个电容器(带材也作为一个极板)。把两块极板用导线连接起来，就成为一个极板，而带材则是电容器的另一极板，其总电容C=C1+C2。,电容测厚仪工作原理,五、项目实训,（一）电容式传感器的位移特性实验1.实验目的了解电容式传感器的结构及特点。2.实验仪器电容式传感器、电容式传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套。3.实验原理电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器，它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理可得,五、项目实训,式中，S为极板面积，d为极板间距离，0为真空介电常数，r为介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量
23、使S、d或r发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容式传感器可以分为三种类型，即改变极间距离的变间隙式、改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。,五、项目实训,这里采用变面积式，如图所示两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下两极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。,平板电容器实验,五、项目实训,4.实验内容与步骤（1）按图所示将电容式传感器安装在电容式传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。,电容式传感器实训台,五、项目
24、实训,（2）将电容式传感器模块的输出Uo接到数显直流电压表上。（3）接入15 V电源，合上主控台电源开关，将电容式传感器调至中间位置，调节RW，使得数显直流电压表显示为0（选择2 V挡）。（4）旋动测微头推进电容式传感器的共享极板（下极板），每隔0.2 mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入表中。,实验结果,5.实验报告根据表的数据计算电容式传感器的系统灵敏度K和非线性误差f。,五、项目实训,（二）电容式传感器动态特性实验1.实验目的了解电容式传感器的动态性能的测量原理与方法。2.实验仪器电容式传感器、电容式传感器模块、相敏检波模块、振荡器频率/转速表、直流稳压电源、振动源、通信接口（含上
25、位机软件）。3.实验原理与电容式传感器位移特性实验原理相同。,五、项目实训,（1）传感器的安装如图所示，传感器引线接入传感器模块，输出端Uo接相敏检波模块低通滤波器的输入端Ui，低通滤波器输出端Uo接通信接口CH1。调节RW到最大位置（顺时针旋到底），通过“紧定旋钮”使电容式传感器的动极板处于中间位置，Uo输出为0。,震动测量实验,五、项目实训,（2）主控台振荡器“低频输出”接到振动台的“激励源”，振动频率选“515 Hz”，振动幅度初始调到零。（3）将主控台15 V的电源接入实验模块，检查接线无误后，打开主控台总电源，调节振动源激励信号的幅度，用通信接口CH1观察实验模块输出波形。（4）保持振荡器“低频输出”的幅度旋钮不变，改变振动频率（用数显频率计监测），从上位机测出Uo输出的峰峰值。保持频率不变，改变振荡器“低频输出”的幅度，测量Uo输出的峰峰值。5.实验报告根据实验结果分析差动电容式传感器测量振动的波形。,本章结束,
