1、20131016電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是利用電容器的原理將被測非電量轉(zhuǎn)換為電容量的變化，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化。根據(jù)電容器變化的參數(shù)不同，電容傳感器可以分為：變間隙式、變面積式和變介電常數(shù)式。應(yīng)用：不但廣泛的應(yīng)用于位移、振動、角度、加速度等機(jī)械量的精密測量而且可以用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器 由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為： 當(dāng)被測參數(shù)變化使得S、 d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。電容式傳感器可分為變間隙（極距）型、變面積型和變介電常數(shù)（介質(zhì)）型三種。式中：r

2、 相對介電常數(shù)； 0 真空中的介電常數(shù)，0=8.8510-12 F/m； S 兩極板間相互覆蓋面積，m2； 兩極板之間的距離，m。電容式傳感器電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器一、變間隙（極距）型電容傳感器變極距型電容式傳感器 d0電容式傳感器 當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，可知其初始電容量C0為 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有電容式傳感器電容量與極板間距離的關(guān)系若d/d01時(shí)，則展成級數(shù)： 此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。 另外，電容式傳感器的靈敏度為： 可見，要提高靈敏度，應(yīng)減小d0

3、。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路。為此，常用提高介電常數(shù)的方法，即在兩級板間加云母、塑料膜等介質(zhì)。電容式傳感器放置云母片的電容器 一般電容式傳感器的起始電容在20pF30pF之間，極板間距離在25m200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移測量中應(yīng)用最廣。 電容式傳感器定極板動極板式中：g云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 電容式傳感器電容式傳感器可見：云母的相對介電常數(shù)（g=7）是空氣介電常數(shù)（0=1） 的7倍，云母的擊穿電壓1000kv/mm，而空氣的擊穿 電壓只有3kv/mm。因此有了云母片極板間的起始

4、間距 可大大減小。極大地提高了電容式傳感器的靈敏度Sn。電容式傳感器電容式傳感器的相對非線性誤差： 上述等式成立的條件是：d/d01時(shí)，高次項(xiàng)省略，若保留二次項(xiàng)，則有：可得其相對非線性誤差為： 可見，要提高靈敏度，須減小起始間隙d0，但此時(shí)相對非線性誤差增大。所以為使二者兼得，常采用差動式結(jié)構(gòu)，即使其中一個(gè)電容器的電容C1隨位移d增加，而另一個(gè)電容器的電容C2則減小。電容式傳感器的靈敏度為：電容式傳感器為提高靈敏度和線性度，克服電源電壓、環(huán)境溫度變化等外界條件影響，常采用差動式電容傳感器上下兩極板是固定極板，中間極板是活動極板未開始測量時(shí)將活動極板調(diào)整在中間位置，兩邊電容相等。測量時(shí)，中間極板

5、向上或下平移，就會引起電容量的上增下減或反之。差動式結(jié)構(gòu)12S差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)電容式傳感器當(dāng)動極板向上位移時(shí)：電容器C1的間隙1變?yōu)? ；電容器C2的間隙2變?yōu)?+ ；則：電容式傳感器電容值總的變化量為：電容值相對變化量為：在 / 0 1時(shí)，按級數(shù)展開：電容式傳感器若，只保留上式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 電容式傳感器的相對非線性誤差為： 差動式電容傳感器靈敏度是原來的2倍 零點(diǎn)附近的非線性誤差大大降低。 電容式傳感器(c)是利用壓力敏感彈性元件-膜片作為電容器的活動極板。壓力變化使彈性膜片上下變形引起電容變化。這種方法在微壓、聲壓測量等方面有較多的應(yīng)用。 (d)是一種電容式加速度傳感器。敏

6、感加速度的質(zhì)量塊用兩個(gè)彈簧片固定，上平面為電容器的活動極板。質(zhì)量塊感受加速度而有位移時(shí)電容隨之變化。 電容式傳感器線位移型Sdaxbx線位移型電容傳感器原理圖電容式傳感器動極板沿定極板移動x，則電容量變化為：式中；C0=0r b a /d 為初始電容，電容相對變化量為：顯然，C與動極板位移x呈線性關(guān)系Sdaxbx電容式傳感器上圖是用以測量線位移(a，b，c)以及角位移(d)的電容傳感元件它們都是將位移變?yōu)殡娙萜飨嗷ジ采w面積的變化為了提高靈敏度，可以采用多片式(a) 、差動式(b)、多齒式(c) 或角位移式(d) 。上式中電容的變化與兩極板相互覆蓋的面積成線性關(guān)系 所以該方案較之變極距型方案在此

7、方面有可取之處 。（c）（d）電容式傳感器(2)角位移型動極板定極板電容式角位移傳感器原理圖電容式傳感器 當(dāng)動極板產(chǎn)生角位移時(shí), 與定極板間的有效覆蓋面積改變, 兩極板間的電容量改變。 當(dāng)=0 時(shí), 式中: r 介質(zhì)相對介電常數(shù); 0 兩極板間的距離; S0 兩極板間初始覆蓋面積。當(dāng)0時(shí), 則:可見，電容的變化C=-C0(/)與角位移成線性關(guān)系。動極板定極板電容式傳感器常用變介質(zhì)型電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式如下圖所示。用途：測量紙張、絕緣薄膜等的厚度測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度三、變介質(zhì)型電容式傳感器(1) 變介質(zhì)型傳感器電容式傳感器兩平行電極固定不動，極距為d0將相對介電常數(shù)為

8、r2的電介質(zhì)插入電容器深度不同時(shí)，改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積傳感器總電容量C為：式中: L0, b0 極板長度和寬度; L第二種介質(zhì)進(jìn)入極板間的長度。若電介質(zhì)r1=1, 當(dāng)L = 0時(shí), 傳感器初始電容: C0=0r L0b0/d0。 當(dāng)介質(zhì)r2 進(jìn)入極間L后, 引起電容的相對變化為:可見, 電容的變化C與電介質(zhì)r2的移動量 L 呈線性關(guān)系。 電容式傳感器(2)液位傳感器下圖是改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器的一種應(yīng)用，用于測量液位高低，其結(jié)構(gòu)原理圖如下：式中：C0由傳感器的基本尺寸 決定的初始電容值； 空氣介電常數(shù)。 電容式傳感器被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，液面高度為 h, 變換器總高度為H, 內(nèi)筒

9、外徑為 d, 外筒內(nèi)徑為 D則此時(shí)變換器電容值為： 式中：空氣介電常數(shù); C0由變換器的基本尺寸決定的初始電容值:可見，變換器的電容增量C正比于被測液位高度h。電容式傳感器電容式液位傳感器不僅能測量腐蝕性液體，還能測量粉塵和固體顆粒，可用于制藥、化工、食品等行業(yè)。如啤酒罐裝機(jī)酒位測控、奶制品生產(chǎn)線液位測控、制藥廠反應(yīng)罐、油箱液位測量等。選用帶同軸接地管全絕緣探頭。電容式傳感器電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù) 電容式傳感器電容式傳感器電容式傳感器6.3 電容式傳感器的信號調(diào)理電路測量電路電容傳感器的特點(diǎn)：電容量小，變化更?。≒F級）。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的測量電路，但由于電容及變化太小，不易

10、實(shí)現(xiàn)。電橋電路調(diào)頻電路諧振電路運(yùn)算放大器式電路脈沖寬度調(diào)制電路電容式傳感器電橋型電路UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2電容式傳感器電橋型電路另兩個(gè)臂是緊耦合電感臂的電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小、大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。Cr1Cr2U0U（d）變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。電容式傳感器電橋型電路電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后獲得輸出。 電容式傳感器調(diào)頻電路傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分。當(dāng)輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。頻率的變化經(jīng)過

11、鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再?jīng)過放大后由記錄器記錄或顯示儀表指示。電容式傳感器式中：C振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx，其中C1為振蕩回路固有電容，C2為傳感器引線分布電容，Cx=C0C為傳感器的電容。 當(dāng)被測信號為0時(shí)，C=0，則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個(gè)固有頻率f0, 其表示式為 電容式傳感器當(dāng)被測信號不為0時(shí)，C0， 振蕩器頻率有相應(yīng)變化， 此時(shí)頻率為 調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量高至0.01m級位移變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)，可以發(fā)送、 接收，以達(dá)到遙測遙控的目的。 調(diào)頻電容傳感器電容式傳感器電容式傳感器汽車氣

12、囊對駕駛員的保護(hù)作用安全氣囊由尼龍纖維制成， 氮化鈉 和硝酸鉀反應(yīng)，生成氮?dú)?利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn) 延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置電容式傳感器負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí) 電容測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測，其工作原理是在被測帶材的上下兩側(cè)各置放一塊面積相等，與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就構(gòu)成了兩個(gè)電容器C1、C2。把兩塊極板用導(dǎo)線連接起來成為一個(gè)極，而帶材就是電容的另一個(gè)極，其總電容為C1 + C2 ，如果帶材的厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化， 用交流電橋?qū)㈦娙莸淖兓瘻y出來，經(jīng)過放大即可由電表指示測量結(jié)果。 電容式傳感器電容式測厚傳感器差動式電容測厚儀系統(tǒng)組成框圖 電容式傳感器電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。 聚四氟乙烯外套電容式傳感器電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。電容式傳感器液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單： 用手指壓住設(shè)定按