《电容式传感》PPT课件.ppt

第3章电容式传感器 3 1基本工作原理与分类3 2测量电路3 3电容式传感器的应用 电容式传感器是将被测物理量转换为电容变化的一种转换装置 实际上就是一个具有可变参数的电容器 电容式传破器不但广泛用于位移 振动 角度 加速度等机械量的精密测量 而且可以用于压力 压差 液值 成分含量等方面的测量 3 1基本工作原理与分类 电容式传感器的基本工作原理可用如图3 1所示的平行板电容为例加以说明 如果不考虑平行扳电容器非均匀电场引起的边缘效应 其电容值为 式中 S 极板间相互覆盖面积 l 极板间距离 极板间介质的介电常数 0 真空介电常数 极板间介质的相对介电常数 对于空气介质由式 3 1 可见 电容量C是S l的函数 图3 1平行板电容器 如果保持其中两个参数不变 只改变其中一个参数 就可把该参数的变化转换为电容量的变化 因此 电容式传感器可分为变极距型 变面积型和变介质型三类 3 1 1变极距型电容式传感器 变极距型电容式传感器的结构如图3 2所示 此时和S为常数 定极板固定不动 当动极扳随被测量变化而移动时 使两极板间距离变化 从而使电容量发生兜化 由式 3 1 可知 电容量与极间距的关系不是直线关系 而是如图3 3所示的双曲线关系 图3 2变极距型电容式传感器 图3 3 特性曲线 设动极扳末动时极板间距为 韧始电容量为 则当间距减少时 则电容量为 3 2 将式 3 2 按级数展开 略去高次项 并令电容变化量 当时 整理得 3 3 式 3 3 表明 在的条件下 电容量变化量与极板间距变化量呈近似线性关系 所以变极距型电容式传感器往往是设计成在极小的范围内变化 单一变极距型电容式传感器的非线性误差为 4 4 传感器灵敏度为 由此可见 灵敏度与的平方成反比 极距越小 灵敏度越高 一般电容式传感器的起始电容为 极板距离在的范围内 最大位移应该小于间距的 在实际应用中 为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素 例如电源电压 环境温度等 对测量的影响 常常把传感器做成差动的形式 其原理如图3 4所示 该传感器采用三块极板 其中中间一块极板为动极板1 两边为定极板2 当动极板移动后和呈差动变化 即其中一个电容量增大 而另一个电容量则相应减小 这样可以消除外界因素所造成的测量误差 图3 4差动式电容传感器结构原理 对应的电容量分别为 若位移量很小 且时 令电容变化量 则有 3 6 从式 3 6 可知 电容的变化量与位移近似呈线性关系 差动电容式传感器的非线性误差为 其灵敏度 3 7 3 8 由以上分析可知 差动式电容传感器与非差动式传感器相比 其输出量和灵敏度均提高了一倍 非线性得到改善 且工作温度性好 3 1 2变面积型电容式传感器 松板间距和介电常数为常数 而平板电容器的面积为变量的传感器称为变面积型电容传感器 这种传感器可以用来测量直线位移和角位移 其结构如图3 5所示 图3 5变面积型电容式传感器结构原理图 1 平板式直线位移电容传感铝平板式直线位移电容传感器的结构如图3 5 a 所示 其中极板1为动极板 可以左右移动 极板2为定极板 固定不动 极板初始覆盖面积为 当宽度为b的动板沿箭头x方向移动 x丛时 覆盖面积变化 电容量也随之变化 若韧始电容值为 在忽略边缘效应时 电容的变化量力 其灵敏度系数为 3 9 3 10 2 圆柱式直线位移电容传感器圆柱式直线位移电容传感器的结构如图3 5 b 所示 外圆筒3不动 内圆柱3在外圆筒内作上 下直线运动 在忽略边缘效应影响时 圆柱式的电容器的电容量为 3 11 式中 外圆柱简与内圆柱重叠部分长度 R 外圆柱简内径 r 内圆拄外径 内圆柱沿轴线移动 x时 电容的变化量为 3 12 其灵敏度系数为 3 13 3 角位移式电容传感器角位移式电容传感器的结构如图3 5 c 所示 定极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时 两极板的遮盖面积S就减小 因而电容量也随之减小 两半圆重合时的初始电容值为 3 14 定极板转过时 电容的变化量为 3 15 其灵敏度系数为 3 16 综合上述分析 变面积型电容传惑器不论被测量是线位移还是角位移 在忽略边缘效应时 位移与输出电容都为线性关系 传感器灵敏度系数为常数 3 1 3变介质型电容式传感器 变介质型电容式传感器的结构如图3 6所示 在固定极板间加入空气以外的其他被测固体介质 当介质变化时 电容量也随之变化 因此 变介质型电容传感器可广泛应用于厚度 位移 温度 湿度和容量等的测量 下面以位移测量为例来介绍它的工作原理 图3 6变介质型电容传感器的结构原理图 在图3 6中 厚度为的介质 介电常数为 在电容器中移动时 电容器中介质的介电常数 总值 改变使电容量改变 于是可用来对位移x进行测量 在无介质时有 3 17 式中 空气的介电常数 b 极板的宽度 a 极板的长度 极板的间隙 当介质移进电容器中x长度时 有 3 18 电容量为 3 19 式中 为常数 电容量C与位移量x呈线性关系 其灵敏度系数为 3 20 上述结论均忽略了边缘效应 实际上 由于存在边组效应 会产生非线性 并使灵敏度下降 3 2测量电路 电容式传感器有多种测量输出电路 借助于各种信号调节电路 传感器把微小的电容增量转换成与之成正比的电压 电流或频率输出 3 2 1交流电桥 调幅电路 如图3 7所示 C1和C2以差动的形式接人相邻两个桥臂 另两个桥臂可以是电阻 电容或电感 也可以是变压器的两个次级线圈 图3 7 a 中所示Z1与Z2是耦合电感 这种电桥的灵敏度和稳定性较高 且寄生电容影响小 简化了电路屏蔽和接地 适合于高频工作 已广泛陈用图3 46 b 小所示另外两桥臂为次级线路 使用元件少 桥路内阻少 应用较多 现以图3 7 b 为例说明被测量与输出电压U0的关系 本交流电桥输出电压U0的频率按频率不变的原则 与电源电压E频率相同 输出电压的幅值与被测量成正比 这种电路又称做调幅电路 图3 7交流电桥 当交流电桥处于平彻位置时 电容传感器起始电容量C1与C2相等 Z1 Z2 两者容抗相等 忽路电容器内阻 电容传感器工作在平衡他置附近 有电容变化量输出时 则传感器工作时输出电压为 3 21 可见电桥输出电压除与被测量变化有关外 还与电桥电源电压有关 要求电源电压采取稳幅和稳频措施 因电桥输出电压幅值小 输出阻抗高 级 其后必须接高输入阻抗放大器才能工作 3 2 2运算放大器式电路 如图3 8所示为运算放大器式电路原理图 是将电容式传感器作为电路的反馈元件接入运算放大器 图中U为交流电源电压 C为固定电容 CX为传感器电容 U0为输出电压 图3 8运算式放大器电路原理图 由运算放大器工作原理可知 在开环放大倍数为和输入阻抗较大的情况下 有 3 22 式中 负号表示输出电压U0与电源电压U相位相反 上述电路要求电源电压稳定 固定电容量稳定 并要放大倍数与的输入阻抗足够大 3 2 3调频电路 这种电路是把电容传感器作为振荡器电路的 部分 当被测量变化而使电容量发生变化时 能使振荡频率发生相应的变化 由于振荡器的频率受电容传感器的电容调制 故称为调频电路 但伴随频率的改变 振荡器输出幅值也往往要改变 为克服后者 在振荡器之后再加入限幅环节 虽然可将此频率作为测量系统的输出量 用以判断被测量的大小 但这时系统是非线性的 而旦不易校正 因此在系统之后可再加入鉴频器 用以补偿其他部分的非线性 使整个测量系统线性化 并将频率信号转换为电压或电流等模拟量输出至放大器进行放大 如果欲得到数字量 再进行模数转换等处理 将信号转换成数字信号 便于数字显示或数字控制等 如图3 48所示为调频电路的原理框图 图3 9调频电路 图3 9中的调频振荡器的频串可由下式决定 3 23 式中 L0 振荡回路的电感 CX 电容式传感器的总电容 在电容式传感器尚未工作时 则 即为传感器的初始电容值 此时振荡器的频率为一常数 3 24 常选在1MHz以上 当传感器工作时 C电容变化量 则谐振频率的相应变化量力即 3 25 振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调频波 其频率由式 3 25 所决定 在调频电路中 值实际上是决定整个测试系统灵敏度的 调频电路的特点是灵敏度高 可以测量0 01pF甚至更小的电容变化量 另外 其调频电路抗干扰能力强 能获得高电平的直流信号 也可获得数字信号输出 调频电路缺点是振荡频率受温度变化和电缆分布电容影响较大 3 3电容式传感器的应用 随着新工艺 新材料问世 特别是电子技术的发展 使得电容式传感器越来越广泛地得到应用 电容式传感器可用来测量直线位移 角位移 振动振幅 可测至的微小振幅 尤其适合测量高频振动振幅 精密轴系回转精度 加速度等机械量 还可用来测量压力 差压力 液位 料面 粮食中的水分含量 非金属材料的徐层 油膜厚度 测量电介质的湿度 密度 厚度等 在检测和控制系统令也常常用来作为位置信号发生器 当测量金属表面状况 距离尺寸 振动振幅时 往往采用单电极式变极距型电容传感器 这时被测物是电容器的一个电极 另一个电极则在传感器内 下面简单介绍几种电容传感器的应用 3 3 1位移的测量 图3 10所示为变面积则电容位移传感器的结构图 测杆1随着被测物体的位移而移动 它带动动极饭2上下移动 从而改变了动极板与两个定极板3之间的极板面积 使电容量发生变化 测力弹簧4保证活动极板处于中心位置 测力弹簧为跟随运动 调节螺母5用来调节位移传感器的零点 由于传感器采用了变面积差功形式 因而 线性度较好 测量范围宽 分辨率高 可用在要求测量精度高的场合 图3 10变面积型电容位移传感器结构图 3 3 2电容式压力传团器 利用电容式传感器测量液 气 体压力是当前压力测量的一种主流方式 也是一种比较新的方法 其优点是温度稳定性好 耗电少 电容式压入传感器的核心是利用被测压力的变化 推动敏感电容的可动极板产生位移 并将该依移转化为电容的变化 再利用适当的转换输出电路 将电容变化值转换为与其相关的电流或电压信号输出 且最好使电流成电压信号与极板位移或直接与被测压入变化成正比 在纺纱工艺流程小 纤维的传输是依靠气压来完成的 所以为保证工艺流程顺利进行 必须对压力进行检测 下画仅够多仓混棉机使用的电容式压力传感器来介绍它的原理 安装与使用 1 电容式压力传感器的工作原理电容式压力传感器是利用检测电容的方法测量压力 它具有灵敏度高 测量精度高 测量范围大 可靠耐用等特点 图3 11所示的是由两金属膜1 固定电极 和测员膜2 动电极 组成的差动式电容压力传感器 另有基座3 玻璃层4 其工作原理为 当两波纹隔离膜片5外的压力相等时 即 测量膜与左右固定电极6间距相同 电容 当 测量膜片产生形变 相应有 被测压力与膜片间电容的相对变化员量成正比 只要通道适当的电容检测电路即可获得被测压力值 由于电容式压力传感器的测量电路是将反映被测压力的电容量转换成电压 电流等电参数 因而常用各种形式的交流电桥与电感形成谐振式频率电路 以及时电容进行充放电的各种脉冲电路 同时 常在测量电路中增加反馈回路或采用双层屏蔽电缆等传输技术来改善非线性和减少漏电流 以提高测量精度 图3 11电容式压力传感器结构图 2 电容式压力传感器的安装与使用多仓混棉机的换仓控制是通过压力传感器检测棉仓压力是否超过设定值和是否满仓 光电开关捡测 来协调充成的 棉仓压力的检测采用的是美国西持 Setra 公司生产的267型压力传感器 1 压力传感器的规格参数 Setra267系列微差压传感器由不锈钢膜片与固定电极构成一个可变电容 压力变化时 电容值发化变化 其独特的检测电路将电容值的变化转化为线性直流电信号 弹性膜片可承受70kPa过压 正向 负向均可 而不会损坏 此传感器已进行过温度补偿 从而提高了温度性能和长期稳定性 Model267LCD是单量积产品 具有LCD显示特性 Model267可选配一个静态探头 以便于在管道上快捷简单安装 6 35mm 1 4英寸 直径的压力探头由合金铝制成 并且采用阻尼技术 以减少压力损耗产生的误差 此传感器可用来测量差压或表压 静态 并将信号转换为成比例的电信号 输出0 5VDC或0 10VDC的电压信号或4 20mA的电流信号 激励电压为24VAC或24VDC 具有IP65 NEMA一4防护等级 测量范围最小可达0 25Pa 最大为0 7500Pa 在温室下精度为 1 FS 温度补偿范围在5 65 通过温度补偿电路 使温度影响小于 0 06 FS 其中 FS代表满量程 2 压力传感器的安装与使用 压力传感器的外形尺寸和外形如图3 51 a 和 b 所示 它的安装非常方便 直接用螺钉固定即可 气压接口是4 76mm 3 16英寸 的塔头 用6 35mm 1 4英寸 的软管与其相连 左边是高压侧 右边是低压侧 输出信号为模拟量信号 可以输出到PLC或控制柜进行处理 以对换仓进行控制 图3 12压力传感器的外形尺寸和外形图 3 3 3电容式条干仪 1 传感罚检测电容量的变化与所填入纤维量之间的关系设平行板电容器的极板面积为A 两极板间距离为D 极板高度为 按不同尺寸构成不同的测量槽 见图3 13 a 图3 13平行板电容器及填充纤维后等效电容 被测纱条通过测量槽 设纱条致密直径为d 则填入槽内的纤维条体积为 纤维的填充率为 3 26 理想情况下 填入两平行板间的圆形纱条可等效成面积为A 厚度为b的长方体 如图3 13 b 所示为填充纤维后等效电容示意图 两者体积相等 即 填有纱条的平行板电容C可等效成由介质为空气的电容Ca与介质为纤维材料的电容Cf相串联 如图3 13 b 所示 3 27 式中 为极板间介质既含空电又含纤维材料时的相对介电常数 为空气的相对介电常数 为纤维材料的相对介电常数 将上列各关系代入式 3 27 并整理得 3 28 当无纱条即介质全为空气时 平行极板间的电容为 填人纱条后平行极板间的电容为 则 3 29 表示将纱条放人测量槽后 传感器检测电容量的相对变化率 按式 3 29 绘出的曲线如图3 14所示 由式 3 29 可以看出 方面与 测量槽内的纤维量 有关 另一方面又与纤维材料的相对介电常数有关 当相当小时 一般小于0 01 式 3 29 可近似表达为 即电容传感器的电容增量与成正比 也即与测量槽内填入的纤维量成正比 对一定的纤维原料 在于燥状态下其是一定的 但受纱条的回潮率和环境的相对湿度影响较大 从图3 14可以看出 在及相应一定的 例如 情况下 的变化呈近似线性关系 越小 随的变化曲线越平缓 即受的影响越小 2 测量电路电容式条干仪测量电路的核心是一个高频电桥 由及高频振荡源组成 检测电容构成电桥的一臂 如图3 15所示 图3 14曲线 图3 15高额电桥示意图 纱条从检测电容的测量槽中通过 其粗细变化 反映线密度