05第五章电容传感器

1、第五章 电容传感器,本章学习电容传感器的原理、检测电路及应用，同时还涉及压力、液位及流量的测量方法。,电容式传感器：将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 特点：结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量，适用于高温、辐射和强振动等条件下工作。 应用：应用于压力、压差、液位、振动、位移、速度、加速度、成分含量等方面测量。,第一节 电容式传感器的工作原理和结构,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：,其中：电容极板间介质的介电常数； (=0r，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。,当

2、被测参数变化使得上式中的A、d或发生变化时，电容量C也随之变化。如果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。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种类型。,一、变极距型电容传感器 当传感器的介电常数r和覆盖面积A为常数，初始极间距为d0时，可知其初始电容量C0为：,若电容器极板间距离由初始值d0缩小d，电容量增大C，则有：,由上式可知，传感器的输出特性C=f(d)是非线性关系，而是如下图所示双曲线关系。 若d/d01时， ，上式可以简化为： 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

3、很小时，才有近似的线性输出。,由上式可以看出，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质(如上右图所示)，此时电容C变为：,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。,二、变面积型电容式传感器 变面积型电容传感器原理示意如下左图。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。,云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母

4、片，极板间起始距离可大大减小。式中的(dg/0g)项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间，极板间距离在25200m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。,当动极板相当于定极板沿 长度方向平移x时，则电容变化量为：,式中C0=0r b0a0/d0为初始电容，电容相对变化量为：,很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移x是线性关系。 电容式角位移传感器原理示意如下右图。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。,当=0时，则：,式中：r-介质相对介电常

5、数； d0-两极板间距离； A0-两极板间初始覆盖面积。,当0时，则：,从上式可以看出，传感器的电容量C与角位移呈线性关系。,变面积型电容传感器原理图,电容式角位移传感器原理图,三、变介质型电容式传感器 下图是一种变极板间介质的电容式传感器，用于测量液位高低的结构原理图。 设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：0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，此变换器的电容增量C正比于被测液位高度h。,变介质型电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木

6、材或煤等非导电固体介质的湿度。下图是一种常用的结构型式。图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为：,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=0r1L0b0/d0。当介质r2进入极间L后，引起电容的相对变化为：,可见，电容的变化与电介质r2的移动量L呈线性关系。,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。,几种介质的相对介电常数,电容式传感器的灵敏度及非线性,由以上分析可知，除变

7、极距型电容传感器外，其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之间的关系均为线性的。故只讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。 变极距型电容的相对变化量为：,当 时，则上式可按级数展开，故得：,由上式可见，输出电容的相对变化量C/C与输入位移d之间呈非线性关系。当d/d01 1时，可略去高次项， 得到近似的线性：,电容传感器的灵敏度为：,说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。,如果考虑线性项与二次项，则：,由此可得出传感器的相对非线性误差为：,可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误

8、差，大都采用差动式结构。下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。 在差动式平板电容器中，当动极板向上位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d，则:,差动平板式电容传感器结构,电容值总的变化量为：,在d/d01时,则按级数展开:,电容值相对变化量为：,如果只考虑上式中线性项和三次项，则电容式传感器的相对非线性误差L近似为：,比较变极间距单组结构和差动结构可见，电容传感器做成差动式之后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降低了。,略去高次项，则C/C0与d/d0式近似成如下线性关系：,1、桥式电路（略）,第二节 电容式传感器的测量转换电路,2、双T形交流电

9、桥电路 e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器两个差动电容。,二极管双T形交流电桥电路,当e为正半周时：二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如右图所示；在随后负半周时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。 当e为负半周时：二极管VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如右图所示；在随后出现正半周时，电容C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。初始条件下，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。,当

10、传感器没有输入时，C1=C2。工作原理如下：,若传感器输入不为0，则C1C2，I1I2，此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零， 因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为：,f为电源频率。,当RL已知时：,则上式可改写为：,从上式可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形电桥电路中的电容C1和C2的差值有关。电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。 当U幅值较高(高于二极管死区电压的10倍)，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，取值范围约为10100k。输出信号

11、的上升沿时间取决于负载电阻。 当电源电压、电源频率确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。例如：当电源频率为1.3MHz，电源电压U =46V时，电容在-77pF变化，可以在1M负载上得到-55V的直流输出电压。对于1k的负载电阻上升时间为20s左右，故可用来测量高速的机械运动。,电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的调频电路有何区别？,调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。,3、调频电路,4、脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路如下图所示。图中CX1、CX2为差动式电容传感器，电阻R1=R2，A1、A2

12、为比较器。当双稳态触发器处于某一状态，Q=1， =0，A点高电位通过R1对Cx1充电，时间常数为 =R1Cx1，直至F点电位高于参比电位Ur，比较器A1输出正跳变信号。与此同时， 因 =0，电容器CX2上已充电流通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转。使Q=0， =1，于是A点为低电位，CX1通过VD1迅速放电，而B点高电位通过R2对CX2充电，时间常数为 =R2CX2，直至G点电位高于参比电位Ur，比较器A2输出正跳变信号，使触发器发生翻转，重复前述过程。,电路各点波形如右图所示，当差动电容器的Cx1=Cx2时，其平均电压值为零。当差动电容Cx1Cx2，Cx1Cx2时，则1

13、=R1Cx12=R2Cx2。由于充放电时间常数的变化，使电路中各点电压波形产生相应改变。如图所示，此时uA、uB脉冲宽度不再相等，一个周期（T1+T2）时间内其平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后，可获得输出：,式中：U1-触发器输出高电平； T1、T2-C1、C2充放电至Ur所需时间。,由电路知识可知:,把平行板电容的公式代入上式，在变极板距离的情况下可得：,将T1、T2代入上式得：,式中：d1、d2分别为CX1、C2X极板间距离。,同样，在变面积电容传感器中，则有：,由此可见，差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通

14、放大器就有较大的直流输出，且调宽频率的变化对输出没有影响。,当差动电容CX1=CX2=C0, 即d1=d2=d0时，UAB=0；若CX1CX2，设CX1CX2，即d1=d0-d，d2=d0+d, 则：,如果传感器是一只平板电容，则Cx=S/d，代入上式，可得：,第三节 电容式传感器的应用,电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A和极间介电常数。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。,一、电容式液位计,聚四氟乙烯外套,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给

15、出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,设定按钮,智能液位限位传感器,智能化液位传感器的设定方法十分简单： 用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,超限灯,正常工作指示灯,电源指示灯,二、硅微加工加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度(振动)，也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压，也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。,微加工三轴加速度传感器技术

16、指标 灵敏度：500mV/g； 量程：10g； 频率范围：0.5-2000Hz； 装谐振点：8kHz； 分辨力：0.00004g； 重量：200g； 安装螺纹：M5mm； 线性误差：1%。,硅微加工加速度传感器原理,1-加速度测试单元 2-信号处理电路 3-衬底 4-底层多晶硅(下电极) 5-多晶硅悬臂梁 6-顶层多晶硅(上电极),利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C 1、C 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，C 1、C 2

17、呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g 以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就构成测量三维方向的振动或加速度。,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时, 微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,传感器安装位置,利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹,

18、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、空气的相对介电常数为2)，所以电容量增大。,吸水高分子薄膜,湿敏电容传感器的安装及使用,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,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。,四、电容式油量表,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

19、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，指针停在新的位置(x 处)。,该油量表属于开环系统还是闭环系统？,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。,齐平式,非齐平式,非齐平式安装时传感器高于安装支架，易损坏。,远距离式(大量程),全密封防水式,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,电容接近开关的规格,电容式接近开关在 液位物位测量

20、控制中的使用,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,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,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；气象学中还用巴和托为压力单位。,第四节 压力和流量的测量,一、压力的基本概念,压力的国际单位为帕斯卡,简称帕(Pa)。,压力单位转换对照表,二、电容式差压变送器,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 11铝合金外壳 12限位波纹膜 13过压保护悬浮波纹膜片 14公共参考端,电容式差压

21、变送器内部结构,各种电容式差压变送器外形,法兰,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,三、利用电容差压变送器测量液体的液位,P = g h,差压变送器,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。,四、流量的基本概念,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。,五、节流式流量计及电容差压变送器在流量测量中的应用,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、喷嘴、文丘里管，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p、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。,一、差压节流式流量计,孔板节流装置（取压管及内部的节流孔板）,流体通过节流孔板时，流速加快，