电容式接近开关

1、技能训练目标要求技能训练目标要求: :1 1、掌握电容传感器的结构原理；、掌握电容传感器的结构原理；2 2、学会电容接近开关的设计方法与应用电路；、学会电容接近开关的设计方法与应用电路；3 3、进一步掌握锡焊技巧和电路调试方法；、进一步掌握锡焊技巧和电路调试方法；4 4、了解电容式传感器的应用情况；、了解电容式传感器的应用情况；5 5、锻炼同学们的敬业精神和团队意识。、锻炼同学们的敬业精神和团队意识。0 rAACdd 电容传感器的理想公式为电容传感器的理想公式为 d 极板间距离；极板间距离； A 极板面积；极板面积；电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。 改变改变d、A、 三个参

2、量中的任意一个量，均可使三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量平板电容的电容量C 改变。改变。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。容传感器。 声传感器应用模型声传感器应用模型1变极距式电容传感器变极距式电容传感器xdACdACx000变极距式电容传感器原理动画演示变极距式电容传感器原理动画演示结构示意图结构示意图1定极板定极板 2动极板动极板 电容量与极板距离的关系电容量与极板距离的关系dsCd201201dsdck则灵敏度系数则灵敏度系数CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d k不是常数不是常数,且与且与d 成反比。极距

3、越小灵敏度越高，成反比。极距越小灵敏度越高，但非线性误差会越大。实际应用中为提高灵敏度和扩但非线性误差会越大。实际应用中为提高灵敏度和扩大线性范围，多采用差动式电容传感器。大线性范围，多采用差动式电容传感器。20问题：问题：d是越小好还是大好呢？是越小好还是大好呢？差动结构差动结构.)()(1111302000000001ddddddCddcdddsddsC.)()(1111302000000002ddddddCddcdddsddsC.)()(1 240200021ddddddCCCC忽略高次项得忽略高次项得002ddCC则灵敏度系数则灵敏度系数200022dsdCdCk结论：结论：差动结构可

4、使传感器灵敏度提高一倍。差动结构可使传感器灵敏度提高一倍。减小了非线性误差。减小了非线性误差。能够更好地克服温度等外界共模信号干扰。能够更好地克服温度等外界共模信号干扰。2变面积式电容式传感器变面积式电容式传感器 动极板有角位移时，与定极板的有效面积变化，动极板有角位移时，与定极板的有效面积变化，变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。移、尺寸等参量。 xa)/1()/1(00pqpqCdSCdSCx3变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感

5、器变介电常数电容式传感器原理动画演示变介电常数电容式传感器原理动画演示常用材料的介电常数常用材料的介电常数 经推导可知变介电常数式电容传感器其电容经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：表示：BxACx其中其中A、B均为与结构和介质有关的常数均为与结构和介质有关的常数三种电容式传感器比较表三种电容式传感器比较表电容式传感器电容式传感器测量电路测量电路电压或频率信号电压或频率信号二、测量转换电路二、测量转换电路1.1.运算放大器电路运算放大器电路 22UUUxCoCCCCCCxx02012122xxxCCCU

6、UZZZ12122xxxxCCUCC2121112xxxUUj Cj Cj C 缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波 后，才能辨别位移方向。后，才能辨别位移方向。 对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得： ），（其中ddACddACxx020102oUdUd优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。转化为位移与输出电压的线性关系。02oUCUC可得：可得：3.调频电路调频电路 电容式传感器作为振荡器谐振回路的一

7、部分，当输入量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。用仪表指示或用记录仪器记录下来。 调频接收系统可以分为调频接收系统可以分为直放式调频直放式调频和和外差式调频外差式调频两种类两种类型。外差式调频线路比较复杂，但选择性高，特性稳定，抗型。外差式调频线路比较复杂，但选择性高，特性稳定，抗干扰性能优于直放式调频。干扰性能优于直放式调频。3. 调频电路调

8、频电路012xfL Cp用调频系统作为电容传感器的测量电路主要具有以下特点：用调频系统作为电容传感器的测量电路主要具有以下特点：（1）抗外来干扰能力强；）抗外来干扰能力强；（2）特性稳定；）特性稳定；（3）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）；）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）；（4）因为是频率输出，易于同数字仪器和计算机接口。）因为是频率输出，易于同数字仪器和计算机接口。谐振电路谐振电路 谐振式电路的原理方框图，电容传感器的电容谐振式电路的原理方框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路（作为谐振回路（L2，C2，Cx）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）调谐电容的

9、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。得振荡电压。工作原理工作原理: 当电容传感器的电容当电容传感器的电容Cx发生变化时，谐振回路的谐振频率发生变化，相发生变化时，谐振回路的谐振频率发生变化，相对于高频振荡器的频率来说是失谐的，这样使得谐振回路两端的电压振幅也对于高频振荡器的频率来说是失谐的，这样使得谐振回路两端的电压振幅也就发生了变化，也就是说，该电路具有将电容就发生了变化，也就是说，该电路具有将电容Cx的变化转换为谐振回路两的变化转换为谐振回路两端电压振幅变化的作用，即谐振回路两端将获得一个受电容端电压振幅变化的作用，即谐振回路两端将获得一个受电容Cx变化量调制变化

10、量调制的调幅波。该调幅波经检波器检波后，再经过放大器放大即可指示出输入量的调幅波。该调幅波经检波器检波后，再经过放大器放大即可指示出输入量的大小。的大小。 为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的一为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的一边，即最大振幅边，即最大振幅Um 的的70%附近地方，如图所示，且工作范围尽量选附近地方，如图所示，且工作范围尽量选在接近线性的在接近线性的BC段内。段内。 这种电路的特点是比较灵敏，但缺点是：这种电路的特点是比较灵敏，但缺点是：（1）工作点不容易选好，变化范围也较窄；）工作点不容易选好，变化范围也较窄；（2）传感器与谐振

11、回路要离得比较近，否则电缆的杂散电容对电路的）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 影响较大；影响较大；（3）为了提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性。）为了提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性。.电容传感器的谐振电路电容传感器的谐振电路4. 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路经分析推导得：经分析推导得： 12011120CCCUUUCCC 由图可见由图可见A，B两点平均电压值两点平均电压值UAB为零。但是，差动电为零。但是，差动电容容C1和和C2值不相等时，如值不相等时，如C1C2，则，则C1和和C2充放电时间充放电时间常数就发生改变，这时电路中各点的电

12、压波形如图（常数就发生改变，这时电路中各点的电压波形如图（b）所）所示，由图可见，示，由图可见，A，B两点平均电压值不再为零。当矩形电两点平均电压值不再为零。当矩形电压波通过低通滤波器后，可得出直流分量压波通过低通滤波器后，可得出直流分量:12121ABoUTTTTUUT1 C1的充电时间；的充电时间；T2 C2的充电时间；的充电时间；U1 触发器输出的高电位触发器输出的高电位 由于由于U1的值是已知的，因此，输出直流电压的值是已知的，因此，输出直流电压UAB随随T1和和T2而变，亦即随而变，亦即随UA和和UB的脉冲宽度而变，从而实现了输出的脉冲宽度而变，从而实现了输出脉冲电压的调宽。当然，必

13、须使参考电位脉冲电压的调宽。当然，必须使参考电位Uf小于小于U1。由电路。由电路可得出，电容可得出，电容C1和和C2的充电时间为的充电时间为: 电阻电阻R1=R2=R， 综合以上三式综合以上三式:12121ABoUCCCCUU 上式说明，直流输出电压正比于电容上式说明，直流输出电压正比于电容C1与与C2的差值，其的差值，其极性可正可负。极性可正可负。f11111lnUUUCRTf11222lnUUUCRT电容电容C1和和C2的充电时间为的充电时间为:说明说明:(1)利用平行板电容公式，在变间隙的情况下可得利用平行板电容公式，在变间隙的情况下可得:11212ABoUddddUU式中式中d1，d2

14、 分别为分别为C1，C2电极极板间的距离。电极极板间的距离。当差动电容当差动电容C1=C2=C0时，即时，即d1=d2=d0时，时，Uo=0。当差动。当差动电容电容C1C2，设，设C1C2，即，即d1= d0d，d2= d0d，则式则式10oUddU(2)在变面积的情况下有在变面积的情况下有式中式中S1，S2分别为分别为C1，C2电极极板面积。电极极板面积。 由此可见，对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电由此可见，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或是极板距离，其变化量与输出量都成线性容器的极板面积或是极板距离，其变化量与输出量都成线性关系。关系。 12121ABoUSSS

15、SUU1oUSSU脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：消除了非线性；消除了非线性；不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；电路只采用直流电源，不需要频率发生器；电路只采用直流电源，不需要频率发生器；频率对输出无影响；频率对输出无影响；对输出矩形波纯度要求不高。对输出矩形波纯度要求不高。 公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。电容式压力传感器结构图电容式压力传感器结构图三、电容式传感器的应用三、电容式

16、传感器的应用 驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。优越、使用方便。 高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部内部不锈不锈钢膜钢膜片的片的位置位置电容式差压变送器外形图电容式差压变送器外形图电容式差压传感器原理结构电容式差压传感器原理结构 两玻璃圆盘上各镀以金

17、作为两玻璃圆盘上各镀以金作为电容式传感器的两个固定极板，电容式传感器的两个固定极板，而夹在两凹圆盘中的膜片则为而夹在两凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极，则形成传传感器的可动电极，则形成传感器的两个差动电容感器的两个差动电容C1、C2。当两边压力当两边压力p1、p2相等时，相等时，膜片处在中间位置与左、右固膜片处在中间位置与左、右固定电容间距相等，因此两个电定电容间距相等，因此两个电容相等；当容相等；当p1p2时，膜片时，膜片弯向弯向p2，那么两个差动电容一，那么两个差动电容一个增大、一个减小，且变化量个增大、一个减小，且变化量大小相同；当压差反向时，差大小相同；当压差反向时，差动电容变化量也

18、反向。动电容变化量也反向。 结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响应速度快(约约100ms)、能测、能测微小压差微小压差(00.75Pa)。它是由两个玻璃圆盘和一个金属。它是由两个玻璃圆盘和一个金属(不锈钢不锈钢)膜片组成。膜片组成。差压变送器差压变送器施加在高压侧腔体内的施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：压力与液位成正比： p = g h电容传感器加速度测量动画演示电容传感器加速度测量动画演示装有传感器装有传感器的假人的假人气囊气囊 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气时，经控制系统使气囊迅速充气 。 传感器安装位

19、置传感器安装位置电容传感器转速测量动画演示电容传感器转速测量动画演示 电容料位测量示意图电容料位测量示意图1极棒极棒 2容器壁容器壁 AM90系列电容物位仪系列电容物位仪 聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套液位计液位计设定按钮设定按钮 两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数介电常数1和液面上的介电常数和液面上的介电常数2不同，比如：不同，比如：12，则当，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降，增大。反之当液位下降，值减小，电容量也减小值减小，电

20、容量也减小 。电容指纹识别动画演示电容指纹识别动画演示6其它测量其它测量1、温度对结构尺寸的影响、温度对结构尺寸的影响由于构成传感器的材料不同，所以线膨胀系数不同。由于构成传感器的材料不同，所以线膨胀系数不同。温度温度t变化变化C的几何形状变化的几何形状变化电容量变化电容量变化C=C0+CP+Ct 传感器的初始电容量传感器的初始电容量被测信号作用下电容量的增量被测信号作用下电容量的增量环境温度变化产生附加的电容增量环境温度变化产生附加的电容增量Ct决定传感器温度误差的大小。决定传感器温度误差的大小。四、电容式传感器实际使用问题四、电容式传感器实际使用问题 选用温度膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料

21、。例如电极的支架选用陶选用温度膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料。例如电极的支架选用陶瓷材料要比塑料或有机玻璃好；电极材料以选用铁镍合金为好；近年来采瓷材料要比塑料或有机玻璃好；电极材料以选用铁镍合金为好；近年来采用在陶瓷或石英上喷镀一层金属薄膜来代替电极，效果更好。减小温度误用在陶瓷或石英上喷镀一层金属薄膜来代替电极，效果更好。减小温度误差的另一常用措施是采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。差的另一常用措施是采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。2、电容静电击穿、电容静电击穿000ddAcgg 电容传感器虽然有许多独具的优点，但由于它的工作原电容传感器虽然有许多独具的优点，但由于它的工作原

22、理、结构特点而使它也存在一些缺点，在实际使用时需采取理、结构特点而使它也存在一些缺点，在实际使用时需采取相应的技术措施来改善。相应的技术措施来改善。 电容器两极板的电场分布在中心部分是均匀的，但到了边电容器两极板的电场分布在中心部分是均匀的，但到了边缘部分是不均匀的，因此边缘效应使设计计算复杂化、产生非缘部分是不均匀的，因此边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性以及降低传感器的灵敏度。消除和减小边缘效应的方法是线性以及降低传感器的灵敏度。消除和减小边缘效应的方法是在结构上增设防护电极，防护电极必须与被防护电极取相同的在结构上增设防护电极，防护电极必须与被防护电极取相同的电位，如图所示，这样可以使

23、工作极板全部面积处于均匀电场电位，如图所示，这样可以使工作极板全部面积处于均匀电场的范围。的范围。 3、边缘效应、边缘效应 应该说明的是，增设防护电应该说明的是，增设防护电极虽然有效地抑制了边缘效极虽然有效地抑制了边缘效应，但也增加了加工工艺难应，但也增加了加工工艺难度。另外，为了保持防护电度。另外，为了保持防护电极与被防护电极的等电位，极与被防护电极的等电位，一般尽量使二者同为地电位。一般尽量使二者同为地电位。4、寄生电容的影响、寄生电容的影响1、寄生电容存在对传感器的影响、寄生电容存在对传感器的影响使传感器的电容量发生改变使传感器的电容量发生改变导致传感器特性不稳定，并导致传感器特性不稳定，并产生干扰产生干扰2、克服寄生电容：、克服寄生电容：静电屏蔽静电屏蔽 电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联