1、2020/7/31，1，第4章電容式傳感器，2020/7/31，2，引言電容式傳感器是一種將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容變化的傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分辨率高，非接觸測(cè)量，可在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作。一種很有前途的傳感器。2020/7/31，3，4.1電容式傳感器的工作原理。如果不考慮邊緣效應(yīng)，由兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器的電容可以僅通過改變其中一個(gè)參數(shù)而改變?yōu)殡娙莸淖兓搮?shù)可以通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電容的變化。電容式傳感器的工作模式可分為三種：變極距型、變面積型和變介電型。2020/7/31，4，4.1可變面積電容式傳感器?？勺兠娣e電容傳感器的極距和介質(zhì)在工作過程中保持不變，測(cè)得的變

2、化會(huì)改變其有效有效面積。可變面積電容傳感器的兩個(gè)極板中的一個(gè)是固定的，稱為固定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為移動(dòng)極板。2020/7/31，5，面積可變電容傳感器原理，1。線性位移類型，2020/7/31，6，面積可變電容傳感器原理，2。角位移型，其中電容隨角位移線性變化、2020/7/31，8，面積可變電容簡(jiǎn)化：近似線性關(guān)系，擊穿問題，一般電極板之間的距離在25200um以內(nèi)，最大位移應(yīng)小于距離的十分之一，因此該電容式傳感器主要用于微位移測(cè)量。2020/7/31，12，差動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了測(cè)量精度，減少了由于移動(dòng)板和固定板之間相對(duì)極距的可能變化而引起的測(cè)量誤差。差分、靈敏度加倍和線性度提高的好處。在

3、2020/7/31、14、4.1.3中，可變介電電容傳感器的極距和有效作用面積保持不變，測(cè)得的變化改變了其極板間的介電條件。主要用于測(cè)量?jī)砂逯g介質(zhì)的一些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。2020/7/31，15，中等變化的電容傳感器結(jié)構(gòu)，1。位移類型，2020/7/31，16，中等變化的電容傳感器結(jié)構(gòu)，2。液位類型，可變介質(zhì)電容傳感器，電容增量與被測(cè)液位高度成線性關(guān)系、2020/7/31、18當(dāng)電容傳感器處于初始位置時(shí)，電橋平衡，電橋輸出電壓；當(dāng)測(cè)量的變化導(dǎo)致電容傳感器的電容變化時(shí)，電橋失去平衡，電橋有電壓輸出，即2020/7/31、19、4.2。常用電路包括：橋式電路、運(yùn)算放大器測(cè)

4、量電路、脈沖調(diào)制電路和調(diào)頻電路。1.橋式電路。2020/7/31，20，4.2電容式傳感器的測(cè)量電路，1。為了提高靈敏度和減少誤差，橋式電路中經(jīng)常使用差分電路，其電路如圖所示。Cx1和Cx2代表差分電容傳感器的兩個(gè)電容。變壓器交流電橋、2020/7/31、22、4.2電容式傳感器的測(cè)量電路，1。橋式電路-橋式測(cè)量電路框圖，2020/7/31，23，4.2電容式傳感器測(cè)量電路，2。二極管雙丁字交流電橋的原理如圖4-12所示。圖中，C1和C2為差動(dòng)電容傳感器的電容，RL為負(fù)載電阻，VD1和VD2為理想二極管，R1和R2為固定電阻。e是一種高頻電源，提供幅度為Ue的對(duì)稱方波。二極管雙T交流電橋，當(dāng)傳

5、感器沒有輸入時(shí)，C1C2一個(gè)周期內(nèi)流經(jīng)負(fù)載的平均電流為0，當(dāng)傳感器有輸入時(shí)，C1！C2、2020/7/31、25、4.2電容式傳感器的測(cè)量電路，3。運(yùn)算放大器測(cè)量電路運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是放大倍數(shù)很大，輸入阻抗也很大。理想運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和輸入阻抗是無限的。運(yùn)算放大器的這些特性可以作為電容傳感器的測(cè)量電路，解決單個(gè)變極距電容傳感器的非線性問題。運(yùn)算放大器測(cè)量電路如圖所示。在圖中，c是總輸入電容，Cx是電容傳感器。運(yùn)算放大器、平板電容：輸出電壓與輸入位移之間存在線性關(guān)系、2020/7/31、27、4.2電容傳感器測(cè)量電路、4 .調(diào)頻電路：將電容傳感器作為振蕩器諧振電路的一部分，部分電路如圖所示。

6、當(dāng)被測(cè)電容發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，然后頻率變化被鑒頻器轉(zhuǎn)換成幅度變化，放大后由儀器顯示出來。調(diào)頻電路靈敏度高，可測(cè)量0.01米的位移變化，易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并能與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)。調(diào)頻電路、2020/7/31、29、4.2電容式傳感器的測(cè)量電路、5。諧振電路：振蕩器通過L1和C1電路為頻率選擇提供穩(wěn)定的高頻信號(hào)，然后通過電感耦合到LCx諧振電路。當(dāng)傳感器電容Cx改變時(shí)，諧振回路的阻抗將改變，這種改變將改變整流器的電流。在改變的電流被放大器放大后，測(cè)量的變化可以被儀器顯示。諧振電路靈敏度高，但工作點(diǎn)不易選擇，變化范圍窄。2020/7/31，30，4.2電容式傳感器的測(cè)量電

7、路，6。脈寬調(diào)制電路、脈寬調(diào)制電路、變極距型：變面積型：差動(dòng)脈寬調(diào)制電路適用于變板距和變面積差動(dòng)電容式傳感器，并具有線性特性。2020/7/31，33，4.3電容傳感器的誤差和制造要求，4.3.1電容傳感器的誤差系數(shù)1。溫度的影響。寄生電容的影響。泄漏電阻的影響，2020/7/31，34，4.3電容傳感器的誤差和制造要求，4.3.2電容目的是降低輸出阻抗和對(duì)絕緣材料的要求，提高靈敏度。(2)使用介電常數(shù)大的介電材料。(3)電極應(yīng)選用膨脹系數(shù)小的材料。目的是減少額外的溫度誤差。(4)供電頻率不應(yīng)太低。目的是降低輸出阻抗并提高靈敏度。一般不應(yīng)低于5001000赫茲。(5)傳感器和導(dǎo)線應(yīng)屏蔽。目的是

8、消除寄生電容的影響，提高靈敏度。電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器不僅用于精確測(cè)量機(jī)械量，如位移、振動(dòng)、角度、加速度和負(fù)載，還廣泛用于測(cè)量參數(shù)，如壓力、壓差、液位、料位、濕度和部件含量。2020/7/31，36，4.4.1電容式壓力傳感器，將測(cè)量壓力引起的彈性元件的位移變化轉(zhuǎn)化為電容變化，實(shí)現(xiàn)測(cè)量。2020/7/31，37，4.4.2電容式加速度傳感器，將被測(cè)物體的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電容的變化。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-19所示。2020年7月31日、38日、4.4.3日，電容式濕度傳感器通過改變傳感器的介電常數(shù)引起電容的變化。2020/7/31，39，4.4.4電容式負(fù)載傳感器，其利用彈性元件的變形，使得電容

9、隨著所施加負(fù)載的變化而變化。2020/7/31，40，4.4.5電容式厚度傳感器，1。電容式測(cè)厚儀，2020/7/31，41，4.4.5電容式厚度傳感器，2020/7/31，42，4.4.6電容式厚度傳感器通常采用單極可變極距型。2020/7/31，43，4.5電容式網(wǎng)格傳感器，是在電容式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種傳感器。它具有電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然，它也有自己的特點(diǎn)，如抗干擾能力強(qiáng)，精度高，測(cè)量范圍大。，2020/7/31，44，4.5.1基本類型和原則，1?；绢愋秃驮瓌t，2020/7/31，45，4.5.1基本類型和原則，2。電容柵板的結(jié)構(gòu)形式，(a)移動(dòng)標(biāo)尺，2020/7/31，2

10、020/7/31，47，4.5.2測(cè)量電路。電容柵傳感器可采用調(diào)幅或調(diào)相測(cè)量電路獲得調(diào)幅或調(diào)相信號(hào)。2020/7/31，48，附件：電容式接近開關(guān)，1個(gè)檢測(cè)極板2填充樹脂3測(cè)量轉(zhuǎn)換電路4塑料外殼5靈敏度調(diào)節(jié)電位器6工作指示燈7信號(hào)電纜，2020/7/31，49，工作過程(1)，檢測(cè)極板設(shè)置在接近開關(guān)的最前端，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)外殼內(nèi)，填充環(huán)氧樹脂，介電損耗小當(dāng)檢測(cè)器附近無物體時(shí)， 檢測(cè)器板和地之間的電容很小，它形成一個(gè)電感為1的高品質(zhì)因數(shù)的液晶振蕩電路。 當(dāng)被測(cè)物體是具有地電位的導(dǎo)體時(shí)(如人體和液體與地的分布電容較大等)。)，檢測(cè)板對(duì)地的電容C增加，并且液晶振蕩電路的Q值將降低，導(dǎo)致振蕩器停止振動(dòng)。2020/7/31，50，工作過程(2)，當(dāng)未接地和絕緣的物體靠近檢測(cè)板時(shí)，由于高頻電壓被施加到檢測(cè)板，在檢測(cè)板附近產(chǎn)生交變電場(chǎng)，物體將受到靜電感應(yīng)，導(dǎo)致極化現(xiàn)象和正負(fù)電荷的分離，從而增加檢測(cè)板對(duì)地的等效電容并降低液晶振蕩電路的Q值。