电容式传感器

1 课题项目 力传感器 任务三 电容式传感器课程名称传感器基础知识 授课类型新授班级日期课时4 知识目标 掌握电容式传感器的工作原理和分类方法 电容式传感器的测 量电路 能力目标 电容式传感器的测试方法教学目标 情感目标 电容式传感器的应用 教学重点电容传感器 教学难点电容传感器测量电路 教学方法案例法 演示法 讲授法 课前准备教案 学生花名册 电容 陶瓷压力传感器 教学后记 及改进措 施 课课 堂堂 教教 学学 安安 排排 电容式 传感器 的工作 原理 分类 概 述 电容式传感器是实现非电量到电容量转化的一类传感器 可以应用于位移 振动 角度 加速度等参数的测量中 由于电容式传感器结构简单 体积小 分辨率高 且可非接触测量 因此 很有应用前景 一 电容式传感器的工作原理和分类 1 工作原理 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 式中 电容极板间介质的介电常数 其中 0 为真空 介电常数 r 为极板间介质相对介电常数 A 两平行板所覆盖的面积 d 两平行板之间的距离 保持其中两个参数不变 而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 电容式传感器是利用电容器的原理将被测非电量转换为电容量的变化 实 现非电量到电量的转化 固定三个参量中的两个 可以做成三种类型的电容传感器 2 分类 电容器变化的参数不同 电容传感器可以分为 变间隙式 变面积式和变 介电常数式 在实际使用时 电容式传感器常以改变改变平行板间距 d 来进行测量 因 为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度 改变平行板间距 d 的传感器可以测量微米数量级的位移 而改变面积 A 的 传感器只适用于测量厘米数量级的位移 A C d 课 堂 教 学 安 排 电容式 传感器 测量电 路 应用 不但广泛的应用于位移 振动 角度 加速度等机械量的精密测量 而且可以用于压力 差压 液面 料面 成分含量等方面的测量 1 变面积式 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 变化 平面线位移 左右 上下 圆柱线位移 角位移型 2 变极距型 距离改变 3 介质变化型 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 二 电容式传感器测量电路 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 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 电桥电路 调频电路 谐振电路 运算放大器式电路 脉冲宽度调制电路 1 桥式电路 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 桥式电 路 运算放 大器式 电路 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 2 运算放大器式电路 运算放大器的放大倍数 K 非常大 而且输入阻抗 Zi 很高 运算放大器的 这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路 Cx 为电容式传感器 是交流电源电压 是输出信号电压 是 虚地点 由运算放大器工作原理可得 3 调频电路 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分 当输入量 导致电容量发生变化时 振荡器的振荡频率就发生变化 iU 0 U 电容式 荷重传 感器 虽然可将频率作为测量系统的输出量 用以判断被测非电量的大小 但 此时系统是非线性的 不易校正 因此加入鉴频器 用此鉴频器可调整地 非线性特性去补偿其他部分的非线性 并将频率的变化转换为振幅的变化 经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来 调频测量电路原理框图如下图 所示 Cx 为电容变换器 调频振荡器的振荡频率为调频振荡器的振荡频率为 L0 振荡回路的电感 C 振荡回路的总电容 其中 C1 为振荡 回路固有电容 C2 为传感器引线分布电容 而 为传 感器的电容 三 应用 1 电容式荷重传感器 荷重传感器按转换工作原理分类为电磁力式 光电式 液压式 电容式 磁极变形式 振动式 陀螺仪式 电阴应变式等 8 类传感器 以电阻应变 式使用最广 12 0 1 2 f L C 绝缘材料绝缘材料 动极板动极板 定极板定极板 极板支架极板支架 弹性体弹性体 F 2 电容式物位传感器 电容式物位传感器有两个导体电极 通常把容器壁作为一个电极 由于电极间是气体 流体或固体而导致静电容的变化 因此可以敏感物 位 它的敏感元件有三种形式 即棒状 线状和板状 其工作温度 压 力主要受绝缘材料的限制 电容式物位传感器可以采用微机控制 实现 自动 调整灵敏度 并且具有自诊断的功能 同时能够检测敏感元件的破损 绝缘性的降低 电缆和电路的故障等 并可以自动报警 实现高可靠性 的信息传递 由于电容式物位传感器无机械可动部分 且敏感元件简单 形状和结构的自由 以大 操作方便 因此 它是应用最广的一种物位传 感器 电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质 型电容传感器 具有可靠性高 安装方便等特点 可广泛应用于冶金 采 矿 等部门作料位控制 是应用最广的一种物位传感器 电容式物位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的 其结构如同 2 个长度为 L 半径分别为 R 和 r 的圆筒型金属导体 中间隔以绝缘物质 当中间所充介质是介电常数为 1 的气体时 两圆筒的电容量为 如果被测介质为导电性液体时 电极要用绝缘物 如聚乙烯 覆盖作为 中间介质 而液体和外圆筒一起作为外电极 假设中间介质的介电常数为 3 电极被浸没长度为 l 则此时电容器所具有的电容量为 其中 R 和 r 分别为绝缘覆盖层外半径和内电极外半径 由于 3 为常 数 所以 C 与 l 成正比 如果电极的一部分被介电常数为 2 的液体 非导电性的 浸没时 则 必须会有电容量的增量 C 产生 因 2 1 此时两极间的电容量 C C1 C 假如电极被浸没长度为 l 则电容增量为 1 此时两极 间的电容量 C C1 C 假如电极被浸没长度为 l 则电容增量为 当 2 1 R r 不变时 电容量增量 C 与电极浸没的长度 l 成正比 因此测出电容增量数值便可知道液位高度 1 固体料位的测量 2 非导电介质的液位测量 3 导电介质的液位测量 3 电容式转速传感器 转速传感器 将旋转物体的转速转换为电量输出的传感器 转速传感器 属于间接式测量装置 可用机械 电气 磁 光和混合式等方法制造 按 信号形式的不同 转速传感器可分为模拟式和数字式两种 它属于电容式传感器 有面积变化型和介质变化型两种 图3 中是面积 变化型的原理 图中电容式转速传感器由两块固定金属板和与转动轴相 连的可动金属板构成 可动金属板处于电 转速传感器 容量最大的位置 当转动轴旋转 180 时则处于电容量最小的位置 电 容量的周期变化速率即为转速 可通过直流激励 交流激励和用可变电 容构成振荡器的振荡槽路等方式得到转速的测量