电容式传感器及应用

1、第四章电容式传感器及应用,4.1电容传感器的工作原理及结构形式,为两极板间介质的介电常数，=0r（r为极板间介质的相对介电常数）；0为真空中的介电常数08.85410-12F/m）；,4.1.1变面积（A）式电容传感器,C0初始电容值,此传感器的灵敏度K可用式子求得,可见，增加极板长度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。,可知:变面积式电容传感器的输出是线形的，灵敏度K为一常数。,(2)角位移型,电容式角位移传感器原理图,电容式传感器,当动极板产生角位移时,与定极板间的有效覆盖面积改变,两极板间的电容量改变。当=0时,式中:r介质相对介电常数;0两极板间的距离

2、;S0两极板间初始覆盖面积。,当0时,则:,可见，电容的变化C=-C0(/)与角位移成线性关系。,电容式传感器,(3)圆柱位移型,圆柱位移型电容传感器原理结构示意图,当h=0时,于是：,可见，电容量的变化C与高度的变化h呈线性关系,4.1.2变极距（d）式电容传感器,C与d的关系为一双曲线当动极板2移动x值后，其电容值Cx为,电容量Cx与x不是线形关系，其灵敏度也不是常数,若d/d01时，则展成级数：,此时C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。另外，电容式传感器的灵敏度为：可见，要提高灵敏度，应减小d0。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为

3、此，常用提高介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。,放置云母片的电容器,一般电容式传感器的起始电容在20pF30pF之间，极板间距离在25m200m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。,定极板,动极板,式中：g云母的相对介电常数，g=7；0空气的介电常数，0=1；d0空气隙厚度；dg云母片的厚度。,可见：云母的相对介电常数（g=7）是空气介电常数（0=1）的7倍，云母的击穿电压1000kv/mm，而空气的击穿电压只有3kv/mm。因此有了云母片极板间的起始间距可大大减小。极大地提高了电容式传感器的灵敏度Sn。,当动极板向上位移时：电容器C1的间隙1变为

4、0；电容器C2的间隙2变为0+；则：,电容值总的变化量为：,电容值相对变化量为：,在/01时，按级数展开：,差动式电容传感器灵敏度是原来的2倍零点附近的非线性误差大大降低。,例:,解：1）2）S1*S2*C=100*5*0.01=5格,一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙d=0.3mm，介电常数=8.8510-12F/m，试求：1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量d=2m,电容变化量是多少?2)若测量电路的灵敏度S1=100mv/PF,读数仪表的灵敏度S2=5格/mv,当d=2m,时，读数仪表示值变化多少格?,4.1.3变介电常数（）式电容传感器,在电容器两极板间加以

5、不同介电常数的介质时，电容器的电容量也会随之变化，利用这种原理做成的传感器在检测容器中液面高度、片状材料厚度等方面得到普遍应用,总电容C为,输出电容C与液面高度h1成线形关系,其灵敏度为,常用变介质型电容传感器的结构型式如下图所示。,用途：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度,(1)变介质型传感器,两平行电极固定不动，极距为d0将相对介电常数为r2的电介质插入电容器深度不同时，改变两种介质的极板覆盖面积传感器总电容量C为：,式中:L0,b0极板长度和宽度;L第二种介质进入极板间的长度。若电介质r1=1,当L=0时,传感器初始电容:C0=0rL0b0/d0。

6、当介质r2进入极间L后,引起电容的相对变化为:,可见,电容的变化C与电介质r2的移动量L呈线性关系。,(2)液位传感器,下图是改变极板间介质的电容式传感器的一种应用，用于测量液位高低，其结构原理图如下：,式中：C0由传感器的基本尺寸决定的初始电容值；空气介电常数。,被测介质的介电常数为1，液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D则此时变换器电容值为：,式中：空气介电常数;C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值:,可见，变换器的电容增量C正比于被测液位高度h。,电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制

7、品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。,电容式传感器的信号调理电路测量电路,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。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,电桥型电路,（c）,U,Cr1,Cr2,U0,L,L,电容式传感器,电桥型电路,另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。,变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。,调频电路,传感器电容是振荡器谐振回路的一部分。当输入量使传感器电容量

8、发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录器记录或显示仪表指示。,式中：C振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容，C2为传感器引线分布电容，Cx=C0C为传感器的电容。,当被测信号为0时，C=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0,其表示式为,当被测信号不为0时，C0，振荡器频率有相应变化，此时频率为,调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。,运算放大器式电路,将电

9、容传感器接入开环放大倍数为A的运算放大电路中，作为电路的反馈组件图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压,调频电容传感器,4.3电容式传感器的应用,1电容式应变计,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当两固定点受压时变换电容值将减小（极间距增大）,2电容测厚仪,把两块极板用导线连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CC1+C2,如果总电容量C作为交流电桥的一个臂，电容的变化将引起电桥的不平衡输出，经过放大、检波、滤波，最后在仪表上显示出带材的厚度,3电容式荷重传感器,当钢块端面承受重量F时

10、，圆孔将产生形变，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容量的增值正比于被测载荷F,4湿度传感器,当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量变化,电容式加速度传感器,差动式电容加速度传感器结构图,电容式传感器,电容式传感器,三、湿敏电容,利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,湿敏电容模块及传感器外形,湿敏电容传感器的安装使

11、用,在野外的使用,带报警器的家庭使用型,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,四、电容式油量表,机械式油量表：,在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。,电容式油量表,当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x处）。,该油量表属于开环系统还是闭环系统？,上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？,该油量表可用于飞机油箱,

12、五、电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,非齐平式接近开关的安装,非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。,全密封防水式,远距离式（大量程）,电容接近开关的规格,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用,不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响,电容式接近开关在物位测量控制中的使用,第五章：第四节压力和流量的测量,一、压力的基本概念,压力的国际单

13、位为“帕斯卡”，简称“帕”（Pa）。除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学中还用“巴”（bar）和“托”为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。,压力单位转换对照表,二、电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器内部结构,1高压侧进气口2低压侧进气口3过滤片4空腔5柔性不锈钢波纹隔离膜片6导压硅油7凹形玻璃圆片8镀金凹形电极9弹性平膜片10腔,各种电容式差压变送器外形,各种电容式压力变送器外形（续）,（参考丹东长隆自控有限公司资料）,法兰,各种电容式压力变送器

14、外形（续）,三、利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p=gh,电容差压变送器用于测量液体的液位,投入式水位计,四、流量的基本概念,体积流量qV=Av，单位为m3/h或L/s；质量流量qm=Av，单位为t/h或kg/s。,例：设测得流速v=10m/s，圆管道的直径r=1m，则截面积A=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。,五、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用,测量流量的方法很多，有流速法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。按照国家标准

15、制造的标准节流装置的流量系数计算公式是相当完备的，所以它是一种可靠性和标准化较高的流量传感器，所以在工业中大量使用差压式流量计。,叶轮式风流速、流量计（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）,玻璃转子流量计,流体入口,流体出口,转子,差压节流式流量计,所谓节流装置，就是在管道中段设置一个流通面积比管道狭窄的孔板或者文丘里喷嘴，使流体经过该节流装置时，流束局部收缩，流速提高，压强减小。节流式流量计的缺点是流体通过节流装置后，会产生不可逆的压力损失。另外，当流体的温度t、压力p1变化时，流体的密度将随之改变。所以必须进行温度、压力修正。,节流装置（取压管及内部的节流孔板）,节流孔板,后取压管,前取

16、压管,流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。,节流装置外形,节流孔板,后取压管,流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况,节流孔板,流速变快，压力变小,节流装置的另一种形式文丘里管或文丘里喷嘴,文丘里喷嘴的压力损失较小。,流体入口,狭窄部位,节流式流量计外形,硅电容指纹图像传感器这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器,其外面是绝缘的表面。,传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深

17、浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。,产品：,西门子推出的“IDMouse”鼠标。鼠标上端安有指尖传感器，一旦指纹被识别，使用者就可以启动PC的操作系统。如果长时间不动鼠标，它将自动启动屏幕保护程序，直到使用者再次触摸ID鼠标为止。这个鼠标在0.25平方英寸的触摸芯片上有65000个传感系统，可捕捉指纹的细节。该系统非常灵敏，甚至用户的手有伤口它都能准确的辨别出来。,最早的指纹识别手机是98年西门子推出的SL10手机，其将“Fingertip”指纹辨认技术移植在SL10上作模拟试用。手机机身前面及后面都装一跟SIM卡大小相似的

18、金属指纹感应器。,机主除可预先输入本身的指纹样本，更可加入最多59个其他使用者的指纹。而其他使用者须经机主指纹作授权，方能将指纹记录在案，并且每位用家都有个别的使用权限。此外，每个使用者最多可储存10只手指指纹，每只手指最多可储存60个指纹样本。现在，西门子指纹手机的在细小如SIM卡指纹感应器上集成了六万五千个微型感应器，侦察指纹速度可达每秒百分之一毫米。,韩国的Pass21公司以三星的SGH-A100样本机，成功示范了一次指纹手机的转帐服务。该手机暂定名为Pass-Phone，以指纹代替传统的数字密码，在手机上作银行转帐。此外，手机更可凭指纹认证，上网作购物及收发电子邮件的通行许可，防止黑客攻击。,三菱也宣布推出指纹手机。手机内同样装有金属感应器式的指纹辨认装置，相比旧式的密码或IC卡辨认率，指纹辨认的错误机率不到0.1%。法国Sagem也在2000年展出一款指纹