电容式传感器原理及其应用.ppt

1、a，1，传感器原理和应用，1，电容传感器的工作原理和分类2，电容传感器的测量电路3，电容传感器的特性和设计改进措施4，电容传感器的工作原理和分类，1.1，电容传感器的工作原理和结构形式电容传感器的基本原理是，将测量的变化转换为检测元件的电容变化，然后通过测量电路转换为电信号输出。电容式传感器实际上是可变参数的电容器。电容式传感器操作原理图，a，3，平面电容器容量表达式如下：所有三个参数都直接影响电气容量的大小。保持两个参数相同，变更其他参数会变更电气容量。如果变更的参数和测量的功能之间存在一定的函数关系，则电容量的变更直接反映测量的变更，并且测量电路，将电容量的变更转换为电力输出，就可以达到测

2、量目的。电容传感器一般可分为改变面板面积的可变面积类型三种。改变板距的可变间隙；改变介电常数的可变介电常数。a，4，2.1可变面积电容式传感器可变面积电容式传感器一般分为线位移类型和各位移类型两类。(1)线位移可变区域类型常用线位移可变区域电容传感器可分为平面线位移型和圆柱线位移型两种结构。a，5，对于平面结构，在图4-2(a)中，两个板的有效应用区域发生了变化，电气容量发生了变化。值为：格式，初始容量值。在圆周结构中，图4-2(b)中，应用区域发生了变化，电容量发生了变化。值为：格式，初始电容值。a，6，(2)每个位移角度位移类型是可变面积容量传感器的派生形式，具有更多的派生形式，如图所示。

3、(a)角度位移类型；(b)齿形板类型；(c)圆柱形；(d)在风扇图4-3可变面积容量传感器的派生形式图4-3(a)中，表盘和平板之间的有效复盖范围发生变化，电力容量可能发生变化，电容值可以表示为：a，7，2.3可变间隔容量传感器在电容传感器的面积和介电常数恒定、仅改变板之间的距离时称为可变间隔容量传感器，其结构原理如图所示。图中，活动平板连接到正在测试的对象。a，8，由于测量参数的变化，活动面板移动时，电量取决于两个面板之间的距离，活动面板移动时，电量为：这些传感器通常用于测量微位移量，在微米到数毫米的导线位移下正常工作。此外，可变间隔电容传感器要提高灵敏度，必须减小平板之间的初始间隔。为了改

4、善这种情况，通常在极板之间放置云母、塑料薄膜等遗传常数高的介质。a，9，2.4可变介电率电容传感器是介质介电常数电容传感器电容量的影响因素，根据之前的分析。一般来说，每个介质的遗传常数都不同。a，10，电容式传感器的基因组发生变化时，介电常数发生变化，电容量发生变化。可变遗传常数容量传感器可通过介质的变化进行测量，通过传感器的电容变化反映。通常可以分为柱和平板，如图所示。如果(a)柱(b)板型可变介电常数容量传感器，a，11，可变介电常数容量传感器两个板之间存在导电物质，则必须在板表面涂上隔热材料，以防止像特氟龙薄膜这样的板短路。可变介电常数容量传感器可用于测量介电体的厚度、位置，以及水平和位

5、移，根据温度、湿度、容量的变化，可以根据板间介质的介电常数测量温度、湿度、容量等参数。，(a)介质厚度测量；(b)位移测量；(c)液位测量；(d)温度测量、湿度图4-6通用介电常数容量传感器、a、12，2电容传感器测量电路、电容传感器输出容量和容量变化很小。因此，小的电量不能直接显示在当前显示设备上，不能用记录表记录，传输不顺畅。显示、记录和传输通过测量转换为与电路成比例的电压、电流或频率信号的小电容变化量来实现。电容式传感器有许多测量电路，包括普通交流桥、变压器桥、双t型桥电路、紧耦合电感臂桥、运算放大器测量电路、调频电路和脉宽调制电路。a，13，2.1普通交流电桥电路普通交流电桥测量电路是

6、传感器电容器、等效适配器阻抗和固定电容和固定阻抗，如图4-7所示。a，14，在传感器工作前将桥的初始状态调整为平衡。传感器工作时电容发生变化，网桥失去平衡，输出交流电压信号。该信号通过交流放大器放大电压后，通过相位探测器和低通滤波器检测直流电压，过滤交流元件，获得直流电压输出信号，其振幅随电容而变化。桥的输出电压为：a，15，2.2变压器桥电路电容传感器接入变压器桥测量电路可分为单臂连接和差动连接方法，如图所示。(a)单臂连接(b)差动连接，a，16，(1)单臂连接图4-8(a)表示单臂连接变压器桥测量电路，高频电源通过变压器连接到电容器桥的一条对角线，电容构成电桥的四个臂。这里是电容传感器。

7、传感器无法正常工作时，交流电桥处于以下平衡状态：此时桥输出电压。改变时，桥有输出电压，可以测量电容的变化值。a，17，(2)差动连接变压器桥测量电路通常使用差动连接，如图4-8(b)所示。以差异方式访问两个相邻的腿臂，另外两个腿臂是次级线圈。交流电路中的阻抗为：也就是说，在输出打开的情况下，桥空载输出电压为a，18，2.3双t桥电路双t桥电路提供振幅u的方波，如图所示。双t型桥连接、正伴奏负伴奏、基于a、19、2.4运算放大器的测量电路运算放大器的测量电路的示意图。电容传感器在高增益运算放大器的输入和输出端之间跳接。运算放大器的倍率很大，输入阻抗高，可以视为理想的运算放大器。输出电压为：a，2

8、0。也就是说，运算放大器的输出电压在极板之间的距离上是线性的。运算放大器电路解决了单个晶体管间距离电容传感器的非线性问题，但是运算放大器的开环放大和输入阻抗都必须足够大。理想运算放大器开环放大和输入阻抗。为了保证仪器精度，还需要电源电压的幅度和固定电容值稳定性。a，21，2.5 FM电路调频电路是将电容传感器的电容和电感元件组成振荡器的谐振电路。测量回路块图如图所示。电容运行时，由于电容的变化，振荡频率相应地变化，然后通过鉴频电路将频率变化转换为振幅变化，放大后输出显示和记录，这称为调频方法。a，22，传感器不工作时振荡频率为使用FM电路作为电容传感器的测量电路的特征如下：(1)抗干扰能力强，

9、稳定性好。(2)灵敏度高，位移变化可测量水平；(3)可获得最大螺栓数水平的高水平直流信号；(4)由于输出是频率信号，因此易于用数字仪器测量，可以与计算机通信，发送和接收，并达到遥测遥控目的。，a，23，2.6差分脉宽调制电路差分脉宽调制电路，如图所示，利用传感器电容的充电和放电，电路输出脉冲的宽度随传感器电容的变化而变化，然后通过低通滤波器获得相应测量的直流信号。a，24，差分脉宽调制电路生成的电路的各点电压波形图。a，25，电容传感器的特性和设计改进方案，电容传感器的优点和缺点1电容传感器的优点(1)良好的温度稳定性：电容传感器一般使用气体(例如空气)作为绝缘介质，介质本身的热值小到不容忽视

10、。因此，应仅考虑强度、温度系数等机械特性，合理选择材料和几何尺寸。(2)阻抗高，功率小，需要输入的动作能量低：电容式传感器充电面板之间的静电很小，因此输入能量很小，特别适合低能量输入测量。(3)动态响应良好：电容式传感器移动部分小而薄，因此质量很轻，固有频率高，动态响应时间短，在几兆赫频率下工作，特别适合动态测量。(4)结构简单，适应性好：电容式传感器结构简单，制造方便；在高低温、强辐射、强磁场等各种恶劣环境条件下工作，适应性强。a，26，2电容传感器的缺陷(1)输出阻抗高，负载容量低：容量容量容量容限必须在传感器绝缘部分电阻很高(超过几十兆欧)。否则，绝缘部分会因旁路电阻影响传感器的性能，因

11、此要注意温度、湿度、清洁度等环境对绝缘材料绝缘特性的影响。(2)输出特性为非线性。使用微分结构可以改进，但不能完全消除。其他类型的电容式传感器只有在忽略电场的边缘效应时，输出特性才是线性的。否则，边缘效应引起的额外功率容量与传感器功率容量直接重叠，使输出特性非线性。(3)寄生电容的巨大影响：电容式传感器的初始电容较少，簧片电容由测量电路的杂散电容和传感器面板及其周围导体组成，电容更大。例如，如果将信号处理电路安装在离极板很近的地方，泄漏电容的影响可能会减弱。a，27，3.2电容传感器的设计改进措施电容传感器具有高灵敏度、高精度等独特优点，独立于精确设计、材料选择、精密加工工艺。(1)消除和减少

12、边缘效果：边缘效果不仅会降低电容式传感器的灵敏度，而且在测量时会发生非线性错误，因此必须最小化或消除。适当减小电容传感器的板间距可以减少边缘效应的影响，但容易断电，测量范围受到限制。另一方面，通过使电极变得非常薄，使其比板间距小得多，可以减少边缘效果的影响。另一方面，如图4-14所示，可以在结构上添加对立保护环以消除边缘效果。(a)电容器的边缘效应(b)具有对立环的平板电容器图4-14对立回路消除电容边缘效应原理图，a，28，(2)保证绝缘材料的绝缘性能温度、湿度等环境变化是影响传感器绝缘材料性能的主要因素。传感器的电极表面不方便清洗，必须密封，防止灰尘和湿气。使用空气云母等介电常数温度系数几

13、乎为零的介电体作为电容式传感器的电介质。传感器内的所有部件必须先清洗，然后干燥，再组装。传感器应密封，防止水分入侵引起的电容值变化和绝缘性能下降。外壳的刚度好，安装时不变形。传感器电极支架必须具有一定的机械强度和稳定性能。应使用石英、云母、人造宝石、各种陶瓷等绝缘特性高的小温度系数和优良材料作为支架。这些材料加工起来更困难，但性能比塑料、有机玻璃等高得多。，a，29，(3)减少或消除寄生电容影响的寄生电容可能比传感器的电容大几倍或几十倍，影响传感器的灵敏度和输出特性，严重时传感器的有用信号被淹没，传感器可能无法工作。因此，减少或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关键。通常，可以使用以下方法：

14、增加电容初始值可以减少寄生电容的影响。减少电容式传感器板之间的距离，增加有效复盖区域，从而增加初始电容值。使用驱动器电缆技术：驱动器电缆技术也称为双屏蔽等位基因传输技术，实际上是等电位屏蔽方法。a，30，驱动器放大器是容量负载大，比例为1的输入阻抗高的冻伤放大器。此方法的困难在于，在宽频带中，放大倍数为1，输入输出的相位移动为0。屏蔽线具有取决于传感器输出信号的电压，因此被称为“驱动器电缆”。外部屏蔽与用于阻止外部电场干扰的地球或设备相切。驱动器电缆技术图，a，31，使用运算放大器方法：运算放大器方法的原理如图所示。利用运算放大器的虚拟降低引线电缆寄生电容。运算放大器方法、电容传感器的电极之一

15、是电缆芯接线运算放大器的虚拟位置、电缆的屏蔽层设备、与传感器电容并行的等效电缆电容，大大降低了电缆电容器对运算放大器开环放大的影响。a、32，4.4电容式传感器广泛使用电容式传感器，可用于测量液位和液位、压力、加速度、直线位移、角度和角度位移、厚度、振动和振幅、速度、温度、湿度和分量。4.4.1电容式压力传感器图4-17显示了典型的差动电容式压力传感器。其主结构是由一个隔膜移动电极和在凹玻璃上镀的两个固定电极组成的差动电容器。测量压力或压差作用在隔膜上，产生位移时形成的两个电容器的电量一个一个增加，一个减少。此电容值由测量电路变更为与压力或压力差相对应的电流或电压。a，33，差动电容式压力传感

16、器，a，34，电容式压力传感器常用于测量气体或液体的压力，如图所示。a，35，4 . 4 . 4 . 2电容式加速度传感器差动电容式加速度传感器主要由两个固定板(外壳和绝缘)和一个质量块组成，中间质量块由喷水器支撑，两个端面研磨，用作可移动极板。a，36，4.4.3电容式位移传感器图标是圆柱形可变面积电容式位移传感器。固定电极3与护套绝缘，活动电极4连接到杠杆1，使用徐璐绝缘的微分结构。测量时，移动电极沿主体轴向移动，因此活动电极和两个固定电极之间的有效覆盖面积发生了变化，电容发生了变化，电容器的变化量与位移成正比。槽形弹簧2是传感器的导向和支撑，没有机械摩擦，灵敏度高，但行程小，主要用于接触测量。a，37，电容传感器还可用于测量振动位移，测量轴的旋转精度和轴向动态偏转等，如图所示。(a)将电容传感器应用于振幅测量(b)轴上的旋转精度和轴偏置测量振动位移测量，a，38，图(a)中的电容传感器和被测量对象分别形成电容器的两个电极，当物体振动时电容两个板之间的距离发生变化，由电容大小发生变化后的测量电路测量。在图(b)所示的电容器传感器中，在徐璐垂直于旋转轴外部的位置将两个电容器板定位为固定板，将测试的旋转轴定位为电容器传感器的移动板。测量时，首先可以调整电容器板和测量的旋转轴之间的原始间距，由于轴旋转时轴承间距等原因，在