《电容式传感器》PPT课件.ppt

1、第五章 电容传感器,电容式传感器的工作原理及结构形式 电容式传感器的等效电路 电容式传感器的测量电路 电容式传感器的应用,电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。 电容器在电子仪表中作为元器件来使用，在非电量电测中作为传感器来使用。 优点： 结构简单，可以不用有机材料和磁性材料构成，所以能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作； 可非接触测量； 灵敏度高；响应时间短，适合在线和动态测量； 极间的相互吸力十分微小，保证了比较高的测量精度； 缺点：易受分布电容和外界干扰的影响，负载能力弱，存在非线性等。,第一节 电容式传感器工作原理及结构形式

2、 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。 多数场合下，电容器是由两个金属平行板组成，且以空气为介质。如果不考虑边缘效应，电容器的电容量 ：,S 两平行极板所覆盖的面积； d 两平行极板之间的距离； 极板间介质的介电常数； 0 真空介电常数（8.85410-12 Fm-1） r 介质相对真空的介电常数， r空气1，其它介质r 1。,当被测量使得S、d或发生变化时，电容量C也随之变化。 一般保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。,d、S、 (r)变化,C变化,U（或I、f）变化,电容式传感器可分为三种类型：变间隙式（变极距式、变间距式）、变面积式和变介电常

3、数式。,（a）、（b）变间隙式；（c）、（d）、（e）、（f）变面积式； （g）、（h）变介电常数式,一、变面积式电容传感器,包括角位移和线位移（平板形直线位移、圆筒形直线位移）,变面积式电容传感器输入输出成线性关系（忽略边缘效应），但灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。,1. 平板形直线位移 极板起始覆盖面积为Sab，,沿活动极板宽度方向移动x，则改变了两极间覆盖面积。忽略边缘效应，改变后的电容量为,初始电容：,C与x成线性关系,2.圆筒形直线位移传感器,外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。设外圆筒的内半径、内圆筒的外半径分别为R和r，两者原来的遮盖长度为h0，电容量与位移

4、成正比：,Cx,A,A,3. 角位移 当动极板有一个角位移时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。当0 时，则,当0时，则,这种形式的传感器电容量C与角位移是成线性关系的。,灵敏度：,（常数）,平板式极板做线位移测量最大不足之处是对移动极板平行度要求高，稍有倾斜则极距 d 变化，影响测量精度。因此在一般情况下，变面积式电容传感器常做成圆筒形的。,右图为齿形极板，也是变面积式电容传感器。可增加遮盖面积，提高分辨率和灵敏度。,当极板的齿数为n时，,灵敏度为,为单极板的n倍。,移动x后,变面积式电容传感器的特性总结,变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的，灵敏度是常数。

5、这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,CA,A,1-实际特性 2-理论特性,设初始电容,若电容器极板距离由初始值d0变化了d，d1 = d0d， 其电容量,二、变极距式电容传感器,当dd0时，,此外由上式和曲线图可以看出，d0 越小，灵敏度越高，但非线性增加。,静态灵敏度：,这时C 与d 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成d 在极小的范围内变化。,相对非线性误差：,可简化为,三、差动式变间距电容传感器,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。中间为动极板（接地），上下两块为定极板。当动极板向上移动后，C1增大，C2减小，C1和C

6、2形成差动变化，经过信号转换电路后，灵敏度提高一倍线性也得到了改善。,差动平板式电 容传感器结构图,动极板上移：,初始位置时,电容总的变化为 ：,电容相对变化为 ：,当 d /d0 1 时，略去高次项,近似成线性,灵敏度,相对非线性误差,使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。 克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响。 减小静电引力的影响。,灵敏度 提高一倍,非线性误差 降低了,一般变极距式电容传感器的初始电容在20100pF之间，极距间距离在25200um的范围内，最大位移应小于初始间距的1/10。变间距式电容传感器的灵敏度高，可利用被测部件作为动极板实现动态非接触测量，故

7、广泛应用于微小位移和压力的测量。,四、变介电常数式电容传感器,（a）图为测电介质厚度x；（b）图为测位移量x；（c）图为测液面位置和液量；（d）图为根据介质的介电常数随温度、湿度、容量改变来测温度、湿度、容量等。 以（b）为例，其电容量为,式中 b 极板宽度。,设在电极中无2 介质时的电容量为C0 ，即,表明电容量C与位移x成线性关系。,表5-1 几种介质的相对介电常数,根据上表，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？,测量空气的相对湿度,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

8、器的电容量也不同。 它们常用来测量粮食、纺织品、木材或煤炭等固体介质的温度或湿度，当被测介质受到外界温度或湿度影响时，其介电常数发生变化，从而引起电容量发生变化。,五、电容式传感器的分类,通常把电容式传感器分为变间隙式、变面积式和变介电常数式三类。 变面积式可按位移的形式分为线位移（平板形和圆筒形）和角位移两种。 圆筒形传感器不能用作改变极距的位移传感器。 一般来说，差动式要比单组式的传感器好。差动式传感器不但灵敏度高而且线性范围大，并具有较高的稳定性，抗干扰能力强。 绝大多数电容式传感器可制成一极多板的形式。,几层重叠板组成的多片型电容传感器具有类似的单片电容器的（n1）倍电容量。多片型相当

9、于一个大面积的单片电容传感器，但是它能缩小尺寸，也可提高灵敏度。对于同样位移x，单片电容器电容变化C，而多板电容器电容变化为（n1）C 。,一极多板电容式传感器,第二节 电容式传感器的等效电路,RP为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。,由等效电路可知，等效电路有一个谐振频率，通常为几十兆赫，当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，应该选择低于谐振频率的工作频率，否则电容传感器不能正常工作。,RS代表串联损耗，即引线电阻、电容器支架和极板的电阻。这个损耗在低频时是极小的，随着频率的增高，

10、此值增大，但即使在几兆赫频率下工作时，此值仍很小。因此只有在很高的工作频率时，才加以考虑。 电感L 由电容器本身的电感和外部引线电感组成。它与电容器的结构和引线的长度有关。,第三节 电容式传感器的测量电路,与电阻式传感器采用电桥输出不同，电容式传感器有多种转换输出电路，它借助于各种信号调理电路把微小的电容变化转换成与之成正比的电压、电流或频率输出。,一、桥式电路 二、双T形电桥电路 三、调频电路 四、脉冲宽度调制电路,一、桥式电路,电容传感器包括在电桥内，C1 与C2 以差动形式接入相邻两个桥臂，另两个桥臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源

11、去激励，最后经电流放大及相敏整流得到直流输出信号。,右图中另外两桥臂为次级线圈，使用元件少，桥路内阻小，应用较多。,设变压器次级线圈的感应电势为u/2,电桥后接放大器的输入阻抗（即电桥的负载）RL，则电桥输出电压为：,二、双T 形电桥电路,美国麻省理工学院教授K.S.Lion在1963年提出了二极管双T形交流电桥，又称为二极管T形网络。 高频电源可以是对称方波或正弦波。,D1、D2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时，C1=C2。,当电源为正半周时, 二极管D1导通、D2截止, 电路可以等效为图（b）。 此时电容C1很快被充电

12、至电压E，电源E经R1以电流I1向负载RL供电，与此同时电容C2经R2和RL放电电流为I2，流过RL的电流IL 为I1和I2之和；,电路工作原理：,在随后电源为负半周时，D2 导通、D1截止，电路可以等效为图（c）。此时电容C2很快被充电至电压E，电源E 经R2以电流I2 向负载RL供电，与此同时电容C1经R1和RL放电电流为I1，流过RL的电流IL 为I1和I2之和。,若D1、D2 的特性相同，R1R2，且C1C2 ，则流过RL 的电流 IL与IL的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零，RL上无电压输出。,若 C1 或 C2 变化（ C1 C2 ）时，流过 RL 的平

13、均电流不为零，因而有信号输出。输出电压的平均值为,输出电压不仅与电源的频率 f 和其幅值E 有关，而且与T形网络中的电容C1 和C2 的差值有关。当电源电压确定后，输出电压只是电容C1 、C2 的函数。 C1 、C2 也可只有一个改变。,令,二极管T形网络特点 电源、传感器电容以及输出电路一端需要共地； 工作电平很高，二极管D1 和D2 尽量为理想二极管，要求特性完全相 同，均工作在伏安特性的线性区； 电路灵敏度高，但与电源的幅值和频率有关，因此电源需稳压稳频； 线路十分简单，不需附加相敏解调器，即能获得高电平的直流输出； 输出阻抗与R1 和R2 同数量级，而与电容C1 和C2 无关，适当选择

14、电阻 值，则输出电流可用毫安表或微安表直接测量； 负载电阻RL 将影响电容放电速度，作动态测量时应取值小一些，如 RL =1k 就可作动态测量；该网络能用于高速机械运动量的测量； 非线性误差很小； 传感器的频率响应取决于电源的频率。,三、调频测量电路,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，将频率的变化在鉴频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。也可以直接通过计数器测定其频率值。 (输入 C f U ),调频（FM）电路,TTL电平的高电平和低电平电压范围分别是多少伏？,电容式传感器的调频电路

15、与电涡流传感器有何区别？式中哪些量是变量？,调频振荡器的振荡频率由下式决定：,式中 L 振荡回路的电感； C总电容，CCl+Cc+C0C； 其中 C1振荡回路的固有电容； Cc传感器的引线分布电容； C0C传感器的电容。,优点： 灵敏度高，可测量0.01m甚至更小位移； 抗干扰能力强； 能获得高电平直流信号（伏特数量级）或频率数字信号（易用于数字仪器和计算机接口）； 缺点： 受温度影响大 。,当被测信号为0时， C 0，则 CCl+Cc+C0，所以振荡器有一个固有频率,当被测信号不为0时，即C0，振荡频率有相应变化，此时， 频率为,四、差动脉冲宽度调制电路, 组成：比较器A1、A2，双稳态触发

16、器，差动电容传感器C1、C2以及R1、R2、D1、D2 构成充放电回路。 条件： R1R2 ；D1、D2特性相同，工作在线性区；工作电源U1比较器的参考电压Ur。, 测量原理： 电源接通，Q1， A点为高电位， 通过R1对C1充电， UM上升，直到高于Ur时比较器A1产生脉冲使双稳态触发器翻转，A点变为低电位，C1通过D1迅速放电使UM接近零电位，此时B点为高电位，通过R2对C2充电，UN上升，直到高于Ur时比较器A2产生脉冲使双稳态触发器重新翻转， A点变为高电位，B点变为低电位，如此周而复始。,C1C2 时，C1 和C2 充电相同，电压波形如图(a)，输出电压uAB为等宽矩形波，平均电压值

17、为零。 当差动电容C1 和C2 值不相等时，假设C1C2，则C1 和C2 充电时间发生变化，电压波形如图(b)。uAB为不等宽矩形波，平均电压值不为零，C1 、C2相差越大，此值越大。经低通滤波器滤波后获得直流输出电压Uo. 。,U1触发器输出高电平,第四节 电容式传感器的应用,电容式传感器因灵敏度高、响应时间短、结构简单、能在恶劣条件下工作、可非接触测量等优点，广泛应用于位移、振动、加速度、角度等机械量的精密测量，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。,一、转速测量 二、电容式差压传感器 三、电容式加速度传感器 四、电容式荷重传感器,五、电容测厚仪 六、电容式料位传感

18、器 七、湿敏电容,一、转速测量,1 齿轮 （动极板） 2 定极 3 电容传感器 4 频率计,二、电容式差压传感器（差压变送器）,它由金属弹性测量膜片7与凹型绝缘体5（陶瓷、玻璃等）上金属膜6（镀金）组成两室结构，室内充满硅油。金属弹性膜片7为动极板，凹型绝缘体上的金属膜6为定极板，构成差动变间隙电容传感器。,1、4波纹隔离膜片；2、3基座； 5玻璃层；6金属膜；7弹性测量膜片,这种传感器的灵敏度和分辨率都很高。其灵敏度取决于初始间隙 d0 ，d0 越小灵敏度越高。其动态响应主要取决于弹性膜片的固有频率。若接入差动电桥，输出电压与压力差成线性关系，且与介质的介电常数无关。,用途：测量压力差。 原

19、理：当左右隔离膜片分别承受两个压力产生变形时，被测压力 通过隔离膜片及硅油导入空腔，施加在作为动极板的金属弹性膜片两侧。当这两个压力不同时，弹性膜片两侧有压力差，使弹性膜片凸向一侧，产生位移，该位移改变两个定极板与动极板间的电容量。,三、电容式加速度传感器,左图是一种差动电容式加速度传感器的工作原理图。传感器由两个差动电容组成，上极板与悬臂梁构成 C1 ，悬臂梁与下极板构成 C2 。当加速度为零时，悬臂梁处在上、下极板的中间位置，C1C2 ；当有加速度存在时，由Fma，有一惯性力F作用在悬臂梁上，悬臂梁产生变形，与两定极板的距离发生变化，于是 C1C2 。,a = 0 a 0,右图是另一种差动

20、电容式加速度传感器的结构示意图。上下各有一固定电极1、2，作为上、下定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，上下端面磨平抛光后作为动极板。,1加速度测试单元 2信号调理电路 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）,电容式加速度传感器目前多采用微细加工技术制造，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。工作电压2.75.25V，加速度测量范围为数个g，灵敏度可达0.35mV/g/V。这种传感器和信号调理电路集成在一起，组成加速度检测模块。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。,它由三个多晶硅层组成差动电容，第一层和第三

21、层是不动的，第二层是悬臂梁，它在加速度作用下是可运动的。,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，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。,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,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 。,利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,在弹性钢板内平行圆孔间设置平行板电容器，当钢板受压力变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变。 主要用于重负载。,四、电容式荷重传感器,

22、五、电容测厚仪 （电容传感器在板材轧制装置中的应用）,电容式测厚仪的关键部件之一就是电容测厚传感器。在板材轧制过程中由它监测金属板材的厚度变化情况，该厚度量的变化现阶段常采用独立双电容测厚传感器来检测。它能克服两电容并联或串联式传感器的缺点。应用独立双电容传感器，通过对被测板材在同一位置、同一时刻实时取样能使其测量精度大大提高。独立双电容测厚传感器一般分为运算型电容传感器和频率变换型电容传感器两种。前者对 0.5 1.0mm 厚度的薄钢板进行测量，其测量误差小于20m ；后者其测量误差小于0.3m。,在被测带材的上、下两侧各置一块面积相等、与带材距离相等的极板，极板与带材就构成了两个电容器C1和C2。把两块极板用导线连成一个电极，带材就是电容的另一个电极，总电容CxC1C2。在轧钢中带材厚度变化时，将引起电容量发生变化，从而实现带材厚度的在线检测。,测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。 当罐内放入被测物料时，由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。,六、电容式料位传感器,聚四氟乙烯外套,物料可以是液体，也可以是固体。 若物料导电的话，罐壁和测定电极要做绝缘处理。右图的棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管。,传感器的静