《自动检测技术及应用》第4章 电容式传感器及其应用

2020/3/31第4章电容式传感器本章学习电容式传感器的工作原理、测量转换电路及其应用。2020/3/32电容式传感器•定义：将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。•应用：位移、加速度、液位、振动及湿度。2020/3/33§4.1电容式传感器的工作原理及结构形式2020/3/34A——极板相对覆盖面；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数；ε0＝8.854×10-12(F/m)ε——电容极板间介质的介电常数。ε=ε0εrδSε0rAACdd一、工作原理由物理学可知，由两平行板组成的平行板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：dA2020/3/35请思考：上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？0rAACdd两平行板组成的平行板电容器，电容传感器的基本理想公式为：2020/3/36改变A、d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。0rAACdd2020/3/371、变面积（A）式电容传感器图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是一个角位移式的结构。极板1的轴由被测物体带动而旋转一个角位移度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。图c是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。2020/3/38可见，增加极板宽度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。此传感器的灵敏度K可用下式求得dbddCKxx对于图a平板形位移电容传感器，当动极板移动x后：axCdxabCx1)(0C0——初始电容值灵敏度为常数线性关系2020/3/39变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。你能否画出变面积式电容传感器的输出特性曲线??2020/3/310当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。2、变极距（d）式电容传感器结构示意图极板1为定极板极板2为动极板2020/3/311电容量Cx与d不是线性关系，其灵敏度也不是常数。从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？0rAACdd由电容的表达式：2020/3/312当d0较小时，该种类型的传感器灵敏度较高，微小的位移即可产生较大的电容变化量。实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。故该类传感器只适用于微米数量级的位移测量。结论：2020/3/3133、变介电常数（ε）式电容传感器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2020/3/314根据上表，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。请问：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？2020/3/315根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度。下图为电容液位计，同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器。12ccc0rAACdd根据：输出电容C与液面高度h成线性关系。2020/3/316当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大，因而电容量增大。反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值。2020/3/3174、差动电容传感器在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差动形式。变极距式差动电容器旋转形差动电容器圆柱形差动电容器2020/3/318如图a)，中间的极板为动极板，上下两块为定极板。当动极板向上移动x距离后，一边的间隙变为d-x，而另一边则为d+x。电容C1和C2成差动变化，即其中一个电容量增加，而另一个电容量则相应减小。将C1、C2接成差动形式后，能使灵敏度提高一倍。请思考：我们已经学习了哪些差动形式？2020/3/319休息一下2020/3/320§4.2电容式传感器的测量转换电路2020/3/321转换电路实现将微小的电容变化转换为电压、电流或频率等信号。电容转换电路有电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥等。被测非电量电容变化电量电容式传感器转换电路2020/3/322一、电桥电路将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。2020/3/323１、单臂接法的桥式测量电路（图a）电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的四臂，CX为电容传感器,交流电桥平衡时有：C1／C2＝Cx／C3此时，U0＝０当Cx改变时，U0≠0，有输出电压。2020/3/324２、差动接法的桥式测量电路（图b）在图b)的电路中，接有差动电容传感器，其空载输出电压为：UCCUCCCCCCCCUCCCCUxxxx0000021210由于电桥输出的电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。＋＋2020/3/325二、调频电路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。2020/3/326当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率随之改变，即振荡器频率受传感器电容所调制。调频电路的灵敏度高，抗干扰能力强。LCf21调频振荡器的频率为：Ｌ—振荡回路的电感Ｃ—振荡回路总电容2020/3/327请思考：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？式中哪些量是变量？2020/3/328将电容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。三、运算放大器式电路图中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。传感器电容2020/3/329UCCUCjCjUxxO11OUCUdA由理想放大器的工作原理可得：结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性。2020/3/330四、二极管T型网络当电源处于正半周时:VD2导通，VD1截止，电容Cl经VD2迅速充电至电压E，电源经R1向负载电阻RL供电，与此同时，电容C2经R2和RL放电，流经RL的电流为这两电流之和。Li这种双T型充放电网络是脉冲式测量电路的一种形式，其基本原理是利用电容的充放电。2020/3/331如果二极管VD1和VD2具有相同的特性，且C1＝C2，R1＝R2，则两电流大小相等，方向相反，即流过RL的平均电流为零。那么C1、C2的任何变化都将使RL上有电流输出。2020/3/332休息一下2020/3/333§4.3电容式传感器的应用2020/3/334一、电容传感器的优缺点优点：１．结构简单，适应性强，能在恶劣的环境条件下工作；２．本身发热影响小，温度稳定性好；３．需要的作用能量小；解决输入能量低的信号的测量。４．可获得较大的相对变化量；５．动态响应快；可用于测量高速变化的参数。６．可实现非接触测量，具有平均效应。缺点：１．输入阻抗高，负载能力差；２．输出特性非线性；３．寄生电容的影响。2020/3/335二、应用实例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。2020/3/3361．电容式应变计在被测量的固定点上，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）。2020/3/3372．电容测厚仪如果总电容量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。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C＝C1+C22020/3/3383．电容式荷重传感器当钢块端面承受重量F时，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。2020/3/3394．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，使高分子薄膜的介电常数发生变化，从而导致电容量变化。2020/3/340湿敏电容外形吸水高分子薄膜2020/3/341湿敏电容模块及传感器外形2020/3/3425、电容式接近开关电容式接近开关属于一种具有开关量输出的位置传感器，电容式传感器的感应由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容。当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。2020/3/343电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示2020/3/344休息一下