５.１電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)５.１.１電容式傳感器的工作原理用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成最簡單的電容器，如圖５－１所示。當忽略邊緣效應(yīng)時，其電容量為５.１.２電容式傳感器的結(jié)構(gòu)分類１.變面積式電容傳感器圖５－２所示為變面積式電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理。下一頁返回５.１電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)圖５－２（ａ）所示為平板形直線位移式電容傳感器。當定極板不動，動極板做直線運動或轉(zhuǎn)動時，相應(yīng)地改變了兩極板的覆蓋面積Ａ，引起電容器電容量Ｃ的變化。設(shè)兩極板原長為ａ０，極板寬度為ｂ，初始極距為ｄ０，當動極板隨被測物體有一位移ｘ后，兩極板的覆蓋面積減小，此時電容量Ｃｘ為式中Ｃ０＝εｂａ０／ｄ０，此傳感器的靈敏度為上一頁下一頁返回５.１電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)圖５－２（ｂ）所示為同心圓筒形變面積式電容傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)做上、下直線運動。在實際設(shè)計時，必須使用導軌來保持兩圓筒的間隙不變。內(nèi)外圓筒的半徑之差越小，靈敏度越高。實際使用時，外圓筒必須接地，這樣可以屏蔽外界電場干擾，并且能減小周圍人體及金屬體與內(nèi)圓筒的分布電容，以減小誤差。圖５－２（ｃ）所示為角位移式電容傳感器。定極板２的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移θ時，兩極板的遮蓋面積Ａ就減小，因而電容量也隨之減小。上一頁下一頁返回５.１電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)２.變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器的結(jié)構(gòu)如圖５－３所示，極板１為定極板，極板２為動極板。當動極板隨被測量變化而移動時，兩極板間距ｄ０變化，從而使電容量產(chǎn)生變化。Ｃ隨ｄ變化的特性曲線為一雙曲線，如圖５－４所示。３.變介電常數(shù)式電容傳感器因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同，利用這種原理制作的電容傳感器稱為變介電常數(shù)式電容傳感器，它們常用來檢測片狀材料的厚度、性質(zhì)，顆粒狀物體的含水量以及測量液體的液位等。表５－１列出了幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)。上一頁下一頁返回５.１電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)如圖５－５所示，當某種介質(zhì)在兩固定極板間運動時，其電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為上一頁下一頁返回５.１電容式傳感器的原理及結(jié)構(gòu)４.差動式電容傳感器在實際應(yīng)用中，為了提高電容傳感器的靈敏度，改善非線性和消除溫度的影響，常常采用差動形式，如圖５－６所示。圖５－６（ａ）所示為變極距式差動電容傳感器的原理圖。中間為動極板，上、下兩片為定極板。當動極板移動距離ｘ后，一邊的極距變?yōu)椋洌埃?，則另一邊的極距變?yōu)椋洌埃?。圖５－６（ｂ）所示為變面積式差動電容傳感器的原理圖。上、下兩個圓筒是定極板，而中間的為動極板，當動極板向上移動時，與上極板的遮蓋面積增加，而與下極板的遮蓋面積減小，兩者變化的數(shù)值相等，反之亦然。上一頁返回５.２電容式傳感器的測量電路５.２.１橋式電路１.單臂接法圖５－７所示為單臂橋式測量電路。高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一條對角線上，電容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃｘ構(gòu)成電容橋的四臂，Ｃｘ為電容傳感器，交流電橋平衡后，當Ｃｘ改變時，Ｕｏ≠０，有輸出電壓。此種電路常用于棉紗直徑、料罐料位檢測儀中。２.差動接法圖５－８所示為變壓器式電橋差動測量電路，接有差動電容傳感器，其空載輸出電壓可用下式表示：下一頁返回５.２電容式傳感器的測量電路３.二極管雙Ｔ電橋電路二極管雙Ｔ電橋測量電路如圖５－９所示。Ｃ１、Ｃ２為差動式電容傳感器的電容，ＲＬ為負載電阻，ＶＤ１、ＶＤ２為理想二極管，Ｒ１、Ｒ２為固定電阻。電路的工作原理如下：當電源電壓Ｕ為正半周時，ＶＤ１導通，ＶＤ２截止，于是Ｃ１充電；當電源電壓Ｕ為負半周時，ＶＤ１截止，ＶＤ２導通，這時Ｃ２充電，而Ｃ１則放電。Ｃ１的放電回路由圖５－９可以看出：一路通過Ｒ１、ＲＬ，另一路通過Ｒ１、Ｒ２、ＶＤ２，設(shè)這時流過ＲＬ的電流為ｉ１。上一頁下一頁返回５.２電容式傳感器的測量電路到下一個正半周，ＶＤ１導通，ＶＤ２截止，Ｃ１又被充電，而Ｃ２則要放電。放電回路一路通過ＲＬ、Ｒ２，另一路通過ＶＤ１、Ｒ１、Ｒ２，設(shè)這時流過ＲＬ的電流為ｉ２。如果選擇特性相同的二極管，且Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ，Ｃ１＝Ｃ２，則流過ＲＬ的電流ｉ１和ｉ２的平均值大小相等，方向相反，在一個周期內(nèi)流過負載電阻ＲＬ的平均電流為零，ＲＬ上無電壓輸出。若Ｃ１、Ｃ２發(fā)生變化時，在負載電阻ＲＬ上產(chǎn)生的平均電流不再為零，因而有信號輸出。此時輸出電壓平均值為上一頁下一頁返回５.２電容式傳感器的測量電路５.２.２調(diào)頻電路這種電路是將電容式傳感器作為ＬＣ振蕩器諧振回路的一部分，或作為晶體振蕩器中的石英晶體的負載電容。當電容傳感器工作時，電容Ｃｘ發(fā)生變化，就是振蕩器的頻率ｆ產(chǎn)生相應(yīng)的變化。由于振蕩器的頻率受電容式傳感器電容的調(diào)制，這樣就實現(xiàn)了Ｃ／ｆ的變換，故稱為調(diào)頻電路。圖５－１０所示為ＬＣ振蕩器調(diào)頻電路框圖。調(diào)頻振蕩器的頻率可由下式?jīng)Q定，即上一頁下一頁返回５.２電容式傳感器的測量電路振蕩器的輸出信號是一個受被測量控制的調(diào)頻波，頻率的變化在鑒頻器中變化為電壓幅度的變化，經(jīng)過放大器放大、檢波后就可用儀表來指示，也可將頻率信號直接送到計算機的計數(shù)定時器進行測量。５.２.３脈沖寬度調(diào)制電路圖５－１１所示為差動脈沖寬度調(diào)制電路，圖中Ｃ１和Ｃ２為傳感器的兩個差動電容。電路由三個比較器ＩＣ１、ＩＣ２、ＩＣ３，一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器ＦＦ和兩個充放電回路Ｒ１Ｃ１和Ｒ２Ｃ２（Ｒ１＝Ｒ２）所組成，Ｕｒ為直流參考電壓。上一頁下一頁返回５.２電容式傳感器的測量電路根據(jù)以上分析，脈沖調(diào)寬電路具有以下特點：①對敏感元件的線性要求不高，無論是變極距式或變面積式，其輸出都與輸入變化量呈線性關(guān)系。②不需要特殊電路，只要經(jīng)低通濾波器就可以得到較大的直流輸出。③不需要高頻發(fā)生裝置。④調(diào)寬頻率的變化對輸出無影響。⑤由于低通濾波器的作用，對輸出矩形波純度要求不高。這些都是其他電容測量電路無法比擬的。上一頁下一頁返回５.２電容式傳感器的測量電路５.２.４運算放大器式測量電路圖５－１３所示為運算放大器式測量電路。電容式傳感器跨接在高增益運算放大器的輸入端與輸出端之間。運算放大器的輸入阻抗很高，因此可以認為它是一個理想運算放大器，其輸出電壓為將代入上式，則有上一頁返回５.３電容式傳感器的應(yīng)用５.３.１差動式電容差壓傳感器差動式電容差壓傳感器廣泛應(yīng)用于液體、氣體的壓力，液體位置及密度等的檢測，其結(jié)構(gòu)如圖５－１４所示，它實質(zhì)上是一個由金屬膜片與鍍金凹形玻璃圓盤組成的采用差動電容原理工作的位移傳感器。當被測壓力ｐ１及ｐ２通過過濾器進入空腔時，由于彈性膜片兩側(cè)壓力差，使膜片凸向壓力小的一側(cè)，這一位移改變了兩個鍍金玻璃圓片與彈性膜片之間的電容量，而電容的變化可由電路加以放大后取出。這種傳感器的分辨力很高，用適當?shù)臏y量電路，可以測量較小的壓力差，響應(yīng)速度可達數(shù)十毫秒。若測量含有雜質(zhì)的液體，還需在兩個進氣孔前設(shè)置波紋隔離膜片，并在兩側(cè)空腔中充滿導壓硅油，使得彈性平膜片感受到的壓力之差仍等于ｐ１－ｐ２。下一頁返回５.３電容式傳感器的應(yīng)用５.３.２電容測厚儀電容測厚儀主要用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度，其工作原理如圖５－１５所示。在被測金屬帶材的上下兩側(cè)各放置一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，這樣極板與帶材就形成了兩個電容器。把兩塊極板用導線連接起來作為電容器的一個極板，而金屬帶材就是電容的另一個極板，其總電容Ｃｘ＝Ｃ１＋Ｃ２＝２Ｃ。如果帶材厚度發(fā)生變化，將引起電容量的變化，用交流電橋?qū)㈦娙莸倪@一變化檢測出來，再經(jīng)過放大，即可由顯示儀表顯示出帶材厚度的變化。上一頁下一頁返回５.３電容式傳感器的應(yīng)用圖５－１６所示為空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，有兩個固定電極，兩極板之間有一個用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個端面經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。當傳感器用于測量垂直方向的微小振動時，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩固定極板相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，此時，上下兩個固定電極與質(zhì)量塊端面之間的電容量產(chǎn)生變化而使傳感器有一個差動的電容變化量輸出，其值與被測加速度的大小成正比。該傳感器頻率響應(yīng)快，量程范圍大，在結(jié)構(gòu)上大多采用空氣或其他氣體作阻尼物質(zhì)。此外，該傳感器還可做得很小，并與測量電路一起封裝在一個厚膜集成電路的殼體中。上一頁下一頁返回５.３電容式傳感器的應(yīng)用５.３.４電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)是利用變極距式電容傳感器原理設(shè)計的。它由高頻振蕩、檢波、放大、整形及輸出等部分組成。其中裝在傳感器主體上的金屬板為定極板，而被測物體上的相對應(yīng)位置上的金屬板相當于動極板。工作時，當被測物體位移接近傳感器主體時（接近的距離范圍可通過理論計算或?qū)嶒炄〉茫?，由于兩者之間的距離發(fā)生了變化，從而引起傳感器電容量的改變，使輸出發(fā)生變化。此外，開關(guān)的作用表面可與大地之間構(gòu)成一個電容器，參與振蕩回路的工作。當被測物體接近開關(guān)的作用表面時，回路的電容量將發(fā)生變化，使得高頻振蕩器的振蕩減弱直至停振。上一頁下一頁返回５.３電容式傳感器的應(yīng)用電容式接近開關(guān)主要用于定位及開關(guān)報警控制等場合，它具有無抖動、無觸點、非接觸檢測等優(yōu)點，其抗干擾能力、耐腐蝕性能等比較好。尤其適合自動化生產(chǎn)線和檢測線的自動限位、定位等控制系統(tǒng)，以及一些對人體安全影響較大的機械設(shè)備（如切紙機、壓模機、鍛壓機等）的行程和保護控制系統(tǒng)