电容式传感器

1课题第四章电容式传感器第一节电容式传感器的基本概念及主要特点第二节电容式传感器的工作原理及结构形式课型新课授课班级授课时数2教学目标1．理解电容式传感器的基本概念和特点。2．掌握电容式传感器的工作原理及结构形式。教学重点1．电容式传感器的基本概念。2．电容式传感器的工作原理及3种结构形式。教学难点三种类型电容式传感器的电容变化量计算。学情分析教学效果教后记2新授课A、复习电阻式传感器。B、新授课第一节电容式传感器的基本概念及主要特点一、基本概念电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。二、主要特点①结构简单，易于制造。②功率小、阻抗高、输出信号强。③动态特性良好。④受本身发热影响小。⑤可获得比较大的相对变化量。⑥能在比较恶劣的环境中工作。⑦可进行非接触式测量。⑧电容式传感器的不足之处。主要是寄生电容影响比较大；输出阻抗比较高，负载能力相对比较大；输出为非线性。第二节电容式传感器的工作原理及结构形式一、工作原理电容式传感器的工作原理可以从图4-1所示的平板式电容器中得到说明。由物理学可知，由两平行极板所组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为AεC式中，A——两极板相互遮盖的面积（mm2）——两极板之间的距离（mm）ε——两极板间介质的介电常数（F/m）由以上计算公式可见，当被测量使A，δ，ε三个参数中任何一项发生变化时，电容量就要随之发生变化。二、结构形式1．变面积（A）型电容式传感器变面积型电容传感器的结构原理如图4-2所示。图中（a）、（b）为单边式，（c）为差分式；（a）、（b）也可做成差分式。图中1，3为固定板，2是与被测物相连的可动（提问）（与电阻是对比介绍）（简要分析原因）（讲解）图4-1平板式电容器3板，当被测物体带动可动板2发生位移时，就改变了可动板与固定板之间的相互遮盖面积，并由此引起电容量C发生变化。对于如图4–2（a）所示的平板式单边直线位移式传感器，若忽略边缘效应，其电容变化量为aaCabεbaaεbaεCΔΔ)Δ(04-2变面积型电容式传感器结构原理图（a）单边直线位移式（b）单边角位移式（c）差分式式中，b——极板宽度a——极板起始遮盖长度Δa——动极板位移量ε——两极板间介质的介电常数δ——两极板间的距离C0——初始电容量这种平极单边直线位移传感器的灵敏度S为S=ΔC/dx=εb/δ=常数对于如图4-2（b）所示的单边角位移型传感器，若忽略边缘效应，则电容变化量为Δ2Δ2Δ2022CrεrεrεC式中，α——覆盖面积对应的中心角度r——极板半经∆α——动极板的角位移量这种单边角位移式传感器的灵敏度为πdΔ0AεCS式中，A0——电容器起始覆盖面积θ——动板的角位移量实际应用时，为了提高电容式传感器的灵敏度，减小非线性，常常把传感器做成差分式，如图4-2（c）所示。中间的极板2为动板，上、下两块（即板1和3）为定板。当动板向上移动一个距离x后，上极距就要减少一个x，而下极距就要增加一个x，从而引起上、下电容变化。差接后的这种传感器灵敏度可提高一倍。2．变极距（δ）型电容式传感器图4-3为变极距型电容式传感器结构原理图。图中1和3为固定极板，2为可动极板（或相当于可动极板的被测物），其位移由被测物体带动。从图4-3（a），（b）可（讲解）（讲解）（区别三种变面积型电容式传感器）4看出，当可动极板由被测物带动向上移动（即δ减小）时，电容值增大，反之电容值则减小。图4-3变极距型电容式传感器结构原理图（a）被测物与可动极板相连（b）被测物为可动极板（c）差分式设极板面积为A，初始距离为δ0，以空气为介质时，电容量C0为C0=ε0A/δ0。当间隙δ0减小δ变为δ时（设δδ0），电容C0增加C变为C，即000001/CACCC电容C与间隙δ之间的变化特性如图4-4所示。电容式传感器的灵敏度用S表示，其计算公式为2ddACS在实际应用时，为了改善其非线性、提高灵敏度和减小外界的影响，通常采用图4-3（c）所示的差分式结构。这种差分式传感器与非差分式的相比，灵敏度可提高一倍，并且非线性误差可大大降低。差分式电容式传感器的灵敏度计算公式为S（差）=C/C=2∆δ/δ。3．变介电常数（ε）型电容式传感器变介电常数型电容式传感器的结构原理如图4-5所示。其中图（a）中的两平行极板为固定板，极距为δ0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变了两种介质极板的覆盖面积。于是传感器总的电容量C应等于两个电容C1和C2的并联之和，即lεllεbεCCC2r01r00021图4-5变介电常数型电容式传感器（讲解）（讲解）图4-4C—特性曲线图5（a）电介质插入式（b）绝缘物位检测式中，l0，b0——极板的长度和宽度l——第二种介质进入极板间的长度当介质1为空气，l=0时，传感器的初始电容C0=ε0εrl0b0/δ0；当介质2进入极板间l距离后，所引起电容的相对变化为02r0001ΔllεCCCCC可见，电容的变化与介质2的移动量l成线性关系。上述原理可用于非导电绝缘流体材料的位置测量。如图4-5（b）所示，将电容器极板插入被监测的介质中。随着灌装量的增加，极板覆盖面也随之增大，从而测出输出的电容量。根据输出电容量的大小即可判定灌装物料的高度l。说明：当极板间有导电物质存在时，应选择电极表面涂有绝缘层的传感器件，以防止电极间短路。练习思考题与习题4-1、4-2、4-3小结1．电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。2．电容式传感器的工作原理，电容量计算公式为：AεC3．电容式传感器的基本类型：变面积（A）型、变极距（δ）型、变介电常数（）型。布置作业思考题与习题4-4、4-56课题第四章电容式传感器第三节电容式传感器典型测量电路及分析第四节电容式传感器的应用课型新课授课班级授课时数2教学目标1．掌握电容式传感器的典型测量电路。2．了解电容式传感器的三项应用。教学重点1．电容式传感器的三种测量电路的工作原理。2．电容式传感器应用的原理。教学难点1．电容式传感器典型测量电路的分析与计算。2．差分式电容压力传感器的工作原理。学情分析教学效果教后记7新授课A、复习电容式传感器的基本概念和性质。B、新授课第三节电容式传感器典型测量电路及分析一、交流电桥电路用于电容式传感器的交流电桥电路如图4-6所示。图4-6电容式传感器桥式转换电路（a）单臂接法（b）差分接法其中图（a）为单臂接法的桥式测量电路，电路中高频电源经变压器接到电容电桥的一条对角线上，电容C1，C2，C3，Cx构成电桥电路的4个桥臂，Cx为电容传感器。当交流电桥平衡时，即C1/C2=Cx/C3，则输出0oU，当Cx改变时，则0oU，就会有电压输出。图（b）为差分式电容式传感器，其空载输出电压为00000x2x1x2x1o222CCUCCCCCCCCUCCCCUU式中，C0——传感器初始电容值C——传感器电容量的变化值需要说明的是，若要判定oU的相位，还要把桥式转换电路的输出经相敏检波电路进行处理。二、调频电路图4-7为电容式传感器的调频电路图，其中图（a）为调频电路框图，图（b）为调频电路原理图。该电路是把电容式传感器作为LC振荡回路中的一部分，当电容式传感器工作时，电容Cx发生变化，这就使得振荡器的频率f发生相应的变化。由于振荡器的频率受到电容式传感器电容的调制，从而实现了电容向频率的变换，因而称之为调频电路。调频振荡器的频率计算公式是LCfπ21。式中，L——振荡回路电感C——振荡回路总电容量。（包括传感器电容Cx，振荡回路微调电容C1，传（提问）（参考电路图讲解）（讲解）8感器电缆分布电容Ci）图4-7电容式传感器调频电路图(a)调频电路方框图(b)调频电路原理图振荡器输出的高频电压是一个受到被测量控制的调频波，频率的变化在鉴频器中变换成为电压的变化，然后再经放大后去推动后续指示仪表工作。从电路原理上看，图中C1为固定电容，Ci为寄生电容，传感器Cx=C0±C。设C=C1+C2+C3+Ci+Cx；C2=C3C。那么调频振荡器的频率为CCCCLfΔπ210i1由调频电路组成的系统方框图如4-8所示。图4-8调频电路系统框图三、脉冲宽度调制电路1．脉冲宽度调制电路的原理脉冲宽度调制电路利用对传感器电容的充、放电，使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，并通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。脉冲宽度调制电路如图4-9所示。它主要由比较器A1，A2，双稳态触发器及电容充、放电回路组成。C1，C2为差分式电容式传感器。当双稳态触发器输出Q为高电平时A点通过电阻R1对电容C1充电。此时的输出Q为低电平，电容C2通过二极管D2迅速放电，从而使G点被钳制在低电位。直到F点的电位高于参考电压UR时，比较器A1产生一个脉冲信号，触发双稳态触发器翻转，使A点成为低电位，电容C1通过二极管D1迅速放电从而使F点被钳制在低电位。同时B点高电位，经R2向C2充电。当G点电位被充至UR时，比较器A2就产生一个脉冲信号。双稳态触发器再翻转一次后使A点成为高电位，B点成为低电压。如此周而复始，就可在双稳态触发器的（参考教材，说明调频电路的特点）（简单介绍各组成部分作用）（对照电路图说明电路原理）9两输出端各自产生一宽度受C1，C2调制的脉冲波形。图4-9脉冲宽度调制电路2．脉冲宽度调制电路具有如下特点①可以获得比较好的线性输出。②双稳态的输出信号一般为100Hz~1MHz的矩形波。因此只需要经滤波器简单处理后即可获得直流输出，不需要专门的解调器，且效率比较高。③电路采用直流电源。虽然直流电源的电压稳定性要求较高，但与高稳定度的稳频、稳幅交流电源相比，还是容易实现的。第四节电容式传感器的应用一、电容测厚仪电容测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的仪器，其工作原理如图4-10所示。1．电容测厚仪结构检测时，在被测金属带材的上、下两侧各安装一块面积相等、与带材距离相等的极板，并把这两快极板用导线连接起来，作为传感器的一个电极板，而金属带材就是电容传感器的另一个极板。2．原理其总的电容量C就应是两个极板间的电容之和（C=C1+C2）。如果带材的厚度发生变化，用交流电桥电路就可将这一变化检测出来，然后再经过放大就可在显示仪器上把带材的厚度变化显示出来。用于这类厚度检测的电容式厚度传感器的框图如图4-11所示。图4-11电容式测厚传感器方框图图中的多谐振荡器输出的电压U1，U2通过R1，R2（R1=R2）交替对电容C1，C2（讲解）（讲解）图4-10电容测厚仪原理示意图1—金属带材2—电容极板3—传动轮4—轧辊10充、放电，从而使驰张振荡器的输出交替触发双稳态电路。当C1=C2时，Uo=0；当C1≠C2时，双稳态电路Q端输出脉冲信号，此脉冲信号经对称脉冲检测电路处理后变成电压输出，并用数字电压表示。输出电压的大小可由公式2121CoCCCCUU加以计算。式中UC为电源电压。二、差分式电容压力传感器差分式电容压力传感器广泛应用于液体、气体和蒸汽的流量、压力，液体位置及密度等的检测，其结构如图4-12所示。当被测压力P通过过滤器通道进入空腔后，由于弹性膜片的两侧受到的压力不同，而形成一个压力差。由于压差的作用，使膜片凸向一侧而产生位移。这一位移改变了两个镀金玻璃圆片与弹性膜片之间的电容量，而电容量的变化可由电路加以放大后取出，其原理如图4-13加以说明。图4-13差分式电容压力传感器原理图差分式电容压力传感器输出电流Io为PdKICCCCI