教案项目电容式传感器

3.2电容式传感器3.2.1电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为当被测参数变化使得S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。1．变间隙型电容传感器变间隙式电容式传感器当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC在式中，若Δd/d01时，则展成级数：此时C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。另外，在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图所示，此时电容C变为：dSCArd000dSCr000001rSCCCCdddd2300000011ddddCCCdddd000ddSCgg式中：εg—云母的相对介电常数，εg=7；ε0—空气的介电常数，ε0=1；d0—空气隙厚度；dg—云母片的厚度。放置云母片的电容器云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。2．被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化量为式中C0=ε0εrba/d为初始电容。电容相对变化量为这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系直线位移型电容传感器原理图3．此时变换器电容值为：gdgd0000rxbCCCdaxCC0bxadxSDdHh1电容式液位变换器结构原理图式中：C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,即可见：此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。3.2.2．电容式传感器的测量电路1．运算放大器由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。如图所示。由运算放大器工作原理可得：如果传感器是一只平板电容，则Cx=εS/d，代入，可得式中“－”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。可见运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，注意条件：要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压Ui的幅值和固定电容C值稳定。dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(21210111dDnHC120ixoUCCUdSCUUiocbICiU¡ÆiIcxICxoUA运算放大器式电路原理图2．二极管双T交流电桥e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。二极管双T交流电桥当传感器没有输入时，C1=C2。电路工作原理：当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如图（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如图（c）所示；在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。若传感器输入不为0，则C1≠C2,I1≠I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为式中,f为电源频率。当RL已知，式中VD2VD1eC1C2ABR2R1RLUR2RL£«R1£«I1I2(a)(b)(c)C1C2UR1RL£«R2£«C1C21I2I)()()2()]()([121210CCUfRRRRRRdtRtItITRIULLLLTLLo则上式可改写为可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。3．调频电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。可将频率作为输出量用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。3.2.3．电容式传感器的应用1．电容式压力传感器2．电容式加速度传感器)()()2(2常数MRRRRRRLLL)(21CCUfMUo、应用实例：电容式接近开关的设计测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，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;接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。1、原理框图2、电路图3、注意事项1）C4093为CMOS集成电路，很容易被电烙铁所带的静电击穿，所以在制作时，最好先焊一个集成电路插座，待电路经检查无误后再把CD4093插入插座。2）电容C4是灵敏度调节电容，若需要该电路以最大灵敏度工作时，可以先调节C4使继电器刚好吸合，再调节C4使继电器刚好断开，然后用高频蜡或绝缘漆把C4封牢即可。电容式接近开关控制水龙头开与关的系统1引言随着我国经济的快速发展，现代城市人口的增加、城市范围的扩大，能源紧张问题越来越突出了。特别是水资源，它与工农业生产以及人民的生活息息相关，由于一些地区以前无计划性地乱的开采，出现了缺水的现象。如何有效地管理和节约用水是当务之急。本文利用电容式接近开关和其它器件设计了一种控制水龙头开与关的系统。本系统具有控制灵敏、使用方便、工作寿命长的特点。2电容式接近开关介绍电容式接近开关属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数ε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。被这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数ε的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn（Sn为电容式接近开关的标准检测距离）的位置动作。这里选用的是浙江省洞头县光电开关厂生产的CLG型M18×70标准结构的开关。它的外型图与尺寸标示图分别如图1与图2所示。图1CLG型M18×70电容式接近开关外型图图2CLG型M18×70标准结构开关外部尺寸图操作参数如表1所示。部分常用材料介电常数如表2所示。3系统组成及设计过程系统组成框图如图3所示，从框图可以看出控制信号的流程：当人或其它物体接近电容式接近开关时，等效电容的容量值会发生变化，从而改变LC振荡器的振荡频率，F/V电路将LC振荡器输出的频率量转化成电压量后，交给信号处理电路，该部分将电压信号进行一系列的处理（包括：放大、整形等）后传给开关量变换电路，开关量转换电路实际上是A/D转换器，它将模拟电压转换为数字量，水龙头控制电路由开关量转换电路的输出量控制，它产生控制信号控制水龙头的开与关。本系统设计成当人接近水龙头一定距离时，水龙头自动开启，离开一定距离后水龙头自动关闭。图3控制系统组成框图3．1部分关键电路介绍振荡电路与F/V变换电路及信号处理部分连线图如图4所示，由555定时器组成的振荡器，它的振荡频率为：f=1/0．69*（R1+2*R2）*（C//CT），C就是电容式接近开关的等效电容值，CT为频率调节电容，通过C的变化从而使振荡频率变化，将此种变化传给F/V电路，引起F/V电路的输出电压变化。由锁相环CD4046组成的F/V变换电路将频率值变成电压值后，经精密运放OP-07线性放大后输入到开关量转换器（A/D转换器）的输入端。图4振荡电路与F/V部分及信号处理电路连线图A/D转换器将模拟信号转换成数字信号后，输入到水龙头控制电路的输入端，由水龙水控制电路控制水龙头的开与关，这些电路简单，这里限于篇幅，不作介绍。3．2系统安装要求安装要求示意图如图5所示，图中S1表示检测面与支架的间距，要求≥1Sn，S2表示检测面与背景的间距，要求≥3Sn，S3表示并列安装间距，要求≥5Sn，S4表示检测面与侧壁的间距，要求≥3Sn。（Sn为电容式接近开关的标准检测距离）图5系统安装尺寸图4结束语由于本系统可利用电容式接近开关的感应灵敏度可以调节的特点，所以可以方便地选人控制水龙头开与关的距离。它的实用性、可操作性很强。由于选用的都是优质器件，它的性能价格比高，并且具有通用性（只要改变被控制对象，再作必要的设置，就能变为其它的功能电路）。它己被做成了产品，正在批量生产。从目前使用的情况看，效果良好，性能稳定。当然，由于开发时间仓促，系统设计还有不少需要完善的地方。不管怎样，它被推广使用的价值很高。(