项目三 电容式传感器1

电容式传感器电容式传感器是利用电容器的原理将被测非电量转换为电容量的变化，实现非电量到电量的转化。根据电容器变化的参数不同，电容传感器可以分为：变间隙式、变面积式和变介电常数式。应用：不但广泛的应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量而且可以用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。3.1电容式传感器的工作原理和结构形式电容式传感器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：dSdSCr0当被测参数变化使得S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。电容式传感器可分为变间隙（极距）型、变面积型和变介电常数（介质）型三种。式中：εr——相对介电常数；ε0——真空中的介电常数，ε0=8.85×10-12[F/m]；S——两极板间相互覆盖面积，m2；δ——两极板之间的距离，m。电容式传感器电容式传感元件的各种结构形式12(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)电容式传感器一、变间隙（极距）型电容传感器变极距型电容式传感器d0电容式传感器当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为000dSCr若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有000001rSCCCCdddd电容式传感器电容量与极板间距离的关系①若Δd/d01时，则展成级数：2300000011ddddCCCdddd此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。②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。00ddCC电容式传感器00dCdCSngdgd00放置云母片的电容器一般电容式传感器的起始电容在20pF~30pF之间，极板间距离在25μm~200μm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。电容式传感器定极板动极板000ddSCgg式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。0002111111dSdSCCCgg电容式传感器电容式传感器可见：云母的相对介电常数（εg=7）是空气介电常数（ε0=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。电容式传感器电容式传感器的相对非线性误差δ：上述等式成立的条件是：Δd/d01时，高次项省略，若保留二次项，则有：00dCdCSn)1(000ddddCC可得其相对非线性误差为：%100/%100//0020dddddd）（＝可见，要提高灵敏度，须减小起始间隙d0，但此时相对非线性误差δ增大。所以为使二者兼得，常采用差动式结构，即使其中一个电容器的电容C1随位移△d增加，而另一个电容器的电容C2则减小。电容式传感器的灵敏度为：电容式传感器•为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响，常采用差动式电容传感器•上下两极板是固定极板，中间极板是活动极板•未开始测量时将活动极板调整在中间位置，两边电容相等。测量时，中间极板向上或下平移，就会引起电容量的上增下减或反之。差动式结构δ1δ2S差动平板式电容传感器结构电容式传感器电容式传感器当动极板向上位移Δδ时：电容器C1的间隙δ1变为δ0–Δδ；电容器C2的间隙δ2变为δ0+Δδ；则：20011CC10011CC电容式传感器2310000[1()()...]CC2320000[1()()...]CC电容值总的变化量为：2400002[1()()...]CC电容值相对变化量为：在Δδ/δ01时，按级数展开：35120000[22()2()...]CCCC≈电容式传感器2400002[1()()...]CC若，只保留上式中的线性项和三次项,电容式传感器的相对非线性误差θ为：32002()100%()100%2()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。电容式传感器•(c)是利用压力敏感弹性元件-膜片作为电容器的活动极板。压力变化使弹性膜片上下变形引起电容变化。这种方法在微压、声压测量等方面有较多的应用。•(d)是一种电容式加速度传感器。敏感加速度的质量块用两个弹簧片固定，上平面为电容器的活动极板。质量块感受加速度而有位移时电容随之变化。电容式传感器二、变面积型电容式传感器电容式传感器(1)线位移型SdaxbΔx线位移型电容传感器原理图电容式传感器动极板沿定极板移动Δx，则电容量变化为：000CdbxaCCCr式中；C0=ε0εrba/d为初始电容，电容相对变化量为：axCC0显然，ΔC与动极板位移Δx呈线性关系SdaxbΔx电容式传感器•上图是用以测量线位移(a，b，c)以及角位移(d)的电容传感元件•它们都是将位移变为电容器相互覆盖面积的变化•为了提高灵敏度，可以采用多片式(a)、差动式(b)、多齿式(c)或角位移式(d)。•上式中电容的变化与两极板相互覆盖的面积成线性关系所以该方案较之变极距型方案在此方面有可取之处。0SCeed=（c）（d）电容式传感器(2)角位移型θ动极板定极板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θ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θ=0时,0000rSC式中:εr——介质相对介电常数;δ0——两极板间的距离;S0——两极板间初始覆盖面积。当θ≠0时,则:000001rSCCC可见，电容的变化ΔC=-C0(θ/π)与角位移θ成线性关系。θ动极板定极板电容式传感器(3)圆柱位移型dDHΔh圆柱位移型电容传感器原理结构示意图电容式传感器当Δh=0时,02lnHCD于是：HhCCC00002lnhhChCCDHCH可见，电容量的变化ΔC与高度的变化Δh呈线性关系δDHΔh电容式传感器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三、变介质型电容式传感器(1)变介质型传感器电容式传感器•两平行电极固定不动，极距为d0•将相对介电常数为εr2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：00002121)(dLLLbCCCrr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εr1=1,当L=0时,传感器初始电容:C0=ε0εrL0b0/d0。当介质εr2进入极间L后,引起电容的相对变化为:0000)1(2LLCCCCCr可见,电容的变化ΔC与电介质εr2的移动量L呈线性关系。电容式传感器(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：dDnHC120式中：C0——由传感器的基本尺寸决定的初始电容值；ε——空气介电常数。电容式传感器•被测介质的介电常数为ε1，•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：dDhHdDhCln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhCln)(210式中：ε——空气介电常数;C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值:dDHCln20可见，变换器的电容增量ΔC正比于被测液位高度h。dDhCln21电容式传感器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、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。选用带同轴接地管全绝缘探头。电容式传感器电容式传感器电介质材料的相对介电常数电容式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器空气中的水分子透过多孔金电极被感湿膜吸附，使得两电极间的介电常数发生变化，环境湿度越大，感湿膜吸附的水分子就越多，使湿度传感器的电容量增加得越多，根据电容量的变化可测得空气的相对湿度。电容式传感器3.2电容式传感器的应用差动电容式压力传感器电容式传感器电容式加速度传感器差动式电容加速度传感器结构图621C1C25d1d2431—固定电极；2—绝缘垫；3—质量块；4—弹簧；5—输出端；6—壳体电容式加速度传感器1C2Cam1C2C电容式传感器电容式加速度传感器当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。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电容式传感器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。电容式传感器电容式传感器汽车气囊对驾驶员的保护作用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电容式传感器电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。电容式传感器电容式测厚传感器差动式电容测厚仪系统组成框图音频信号发生器音频放大器全波整流器差动放大器C0C1C2RRCT电容式传感器电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套电容式传感器电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，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。电容式传感器液位限位传感器的设定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。设定按钮电容式传感器电容式接近开关被检测物体可以是导电体、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。电容式传感器电容式接近开关在物位测量控制中的使用全密封防水式远距离式（大量程）电容式传感器电容式荷重传感器F绝缘材料动极板定极板极板支架弹性体