4 电容式传感器及应用

第四章电容式传感器及应用4.1电容传感器的工作原理及结构形式dACε为两极板间介质的介电常数，ε=ε0εr（εr为极板间介质的相对介电常数）；ε0为真空中的介电常数ε0＝8.854×10-12F/m）；4.1.1变面积（A）式电容传感器axCdxabCx1)(0C0——初始电容值此传感器的灵敏度K可用式子求得dbddCKxx可见，增加极板长度b，减小两板间距d都可以提高传感器的灵敏度。但d太小时，容易引起短路。可知:变面积式电容传感器的输出是线形的，灵敏度K为一常数。(2)角位移型θ动极板定极板电容式角位移传感器原理图电容式传感器当动极板产生角位移θ时,与定极板间的有效覆盖面积改变,两极板间的电容量改变。当θ=0时,0000rSC式中:εr——介质相对介电常数;δ0——两极板间的距离;S0——两极板间初始覆盖面积。当θ≠0时,则:000001rSCCC可见，电容的变化ΔC=-C0(θ/π)与角位移θ成线性关系。θ动极板定极板电容式传感器(3)圆柱位移型dDHΔh圆柱位移型电容传感器原理结构示意图当Δh=0时,02lnHCD于是：HhCCC00002lnhhChCCDHCH可见，电容量的变化ΔC与高度的变化Δh呈线性δDHΔh4.1.2变极距（d）式电容传感器C与d的关系为一双曲线当动极板2移动x值后，其电容值Cx为)1(100000xdxCdxCxdACx电容量Cx与x不是线形关系，其灵敏度也不是常数①若Δd/d01时，则展成级数：2300000011ddddCCCdddd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。②另外，电容式传感器的灵敏度为：可见，要提高灵敏度，应减小d0。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，常用提高介电常数的方法，即在两级板间加云母、塑料膜等介质。00ddCC00dCdCSngdgd00放置云母片的电容器一般电容式传感器的起始电容在20pF~30pF之间，极板间距离在25μm~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。定极板动极板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。0002111111dSdSCCCgg可见：云母的相对介电常数（εg=7）是空气介电常数（ε0=1）的7倍，云母的击穿电压≥1000kv/mm，而空气的击穿电压只有3kv/mm。因此有了云母片极板间的起始间距可大大减小。极大地提高了电容式传感器的灵敏度Sn。当动极板向上位移Δδ时：电容器C1的间隙δ1变为δ0–Δδ；电容器C2的间隙δ2变为δ0+Δδ；则：20011CC10011CC2310000[1()()...]CC2320000[1()()...]CC电容值总的变化量为：2400002[1()()...]CC电容值相对变化量为：在Δδ/δ01时，按级数展开：35120000[22()2()...]CCCC≈差动式电容传感器灵敏度是原来的2倍零点附近的非线性误差大大降低。例:解：1）2）S1*S2*ΔC=100*5*0.01=5格PF01.03.0/10*213.0/10*2*48.1/1/PF48.110*3.0)10*4(**1085.8330003231220ddddCCdrdSC一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙d=0.3mm，介电常数ε=8.85×10-12F/m，试求：1)工作中，若传感器与工件的间隙减小量Δd=2μm,电容变化量是多少?2)若测量电路的灵敏度S1=100mv/PF,读数仪表的灵敏度S2=5格/mv,当Δd=2μm,时，读数仪表示值变化多少格?4.1.3变介电常数（ε）式电容传感器在电容器两极板间加以不同介电常数的介质时，电容器的电容量也会随之变化，利用这种原理做成的传感器在检测容器中液面高度、片状材料厚度等方面得到普遍应用总电容C为rRhrRhCCCln2ln2211221输出电容C与液面高度h1成线形关系其灵敏度为rRdhdCKln2211常用变介质型电容传感器的结构型式如下图所示。用途：•测量纸张、绝缘薄膜等的厚度•测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度(1)变介质型传感器•两平行电极固定不动，极距为d0•将相对介电常数为εr2的电介质插入电容器•深度不同时，改变两种介质的极板覆盖面积•传感器总电容量C为：00002121)(dLLLbCCCrr式中:L0,b0——极板长度和宽度;L——第二种介质进入极板间的长度。若电介质εr1=1,当L=0时,传感器初始电容:C0=ε0εrL0b0/d0。当介质εr2进入极间L后,引起电容的相对变化为:0000)1(2LLCCCCCr可见,电容的变化ΔC与电介质εr2的移动量L呈线性关系。(2)液位传感器下图是改变极板间介质的电容式传感器的一种应用，用于测量液位高低，其结构原理图如下：dDnHC120式中：C0——由传感器的基本尺寸决定的初始电容值；ε——空气介电常数。•被测介质的介电常数为ε1，•液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D•则此时变换器电容值为：dDhHdDhCln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhCln)(210式中：ε——空气介电常数;C0——由变换器的基本尺寸决定的初始电容值:dDHCln20可见，变换器的电容增量ΔC正比于被测液位高度h。dDhCln21电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。电容式传感器的信号调理电路－－测量电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。电桥电路调频电路谐振电路运算放大器式电路脉冲宽度调制电路电桥型电路UCr1C（a）RRU0（c）UCr1Cr2U0LLCr1（b）CU0UCCr2电容式传感器电桥型电路另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。Cr1Cr2U0U（d）变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。调频电路传感器电容是振荡器谐振回路的一部分。当输入量使传感器电容量发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。频率的变化经过鉴频器变为电压变化，再经过放大后由记录器记录或显示仪表指示。LCf21LCf21式中：C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容，C2为传感器引线分布电容，Cx=C0±ΔC为传感器的电容。当被测信号为0时，ΔC=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0,其表示式为LCCCf)(210210当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为ffLCCCCf0021)(21调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。运算放大器式电路将电容传感器接入开环放大倍数为A的运算放大电路中，作为电路的反馈组件图中U是交流电源电压，C是固定电容，Cx是传感器电容，Uo是输出信号电压UCCUCjCjUxxO11dAuCUO调频电容传感器4.3电容式传感器的应用1．电容式应变计在被测量的两个固定点上，装两个薄而低的拱弧，方形电极固定在弧的中央，两个拱弧的曲率略有差别当两固定点受压时变换电容值将减小（极间距增大）2．电容测厚仪把两块极板用导线连起来就成为一个极板，而带材则是电容器的另一极板，其总电容C＝C1+C2如果总电容量C作为交流电桥的一个臂，电容的变化将引起电桥的不平衡输出，经过放大、检波、滤波，最后在仪表上显示出带材的厚度3．电容式荷重传感器当钢块端面承受重量F时，圆孔将产生形变，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容量的增值正比于被测载荷F4．湿度传感器当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量变化电容式加速度传感器差动式电容加速度传感器结构图621C1C25d1d2431—固定电极；2—绝缘垫；3—质量块；4—弹簧；5—输出端；6—壳体电容式传感器电容式传感器三、湿敏电容利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。湿敏电容外形吸水高分子薄膜湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形四、电容式油量表机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。电容式油量表当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x处）。该油量表属于开环系统还是闭环系统？上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？该油量表可用于飞机油箱五、电容式接近开关被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。电容式接近开关外形齐平式非齐平式非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。全密封防水式远距离式（大量程）电容接近开关的规格电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响电容式接近开关在物位测量控制中的使用第五章：第四节压力和流量的测量一、压力的基本概念压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”（Pa）。除此之外，工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”，气象学中还用“巴”（bar）和“托”为压力单位。这些单位在一些进口仪表说明书上可能还会见到。压力单位转换对照表二、电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器内部结构1—高压侧进气口2—低压侧进气口3—过滤片4—空腔5—柔性不锈钢波纹隔离膜片6—导压硅油7—凹形玻璃圆片8—镀金凹形电极9—弹性平膜片10—腔各种电容式差压变送器外形各种电容式压力变送器外形（续）（参考丹东长隆自控有限公司资料）法兰各种电容式压力变送器外形（续）三、利用电容差压变送器测量液体的液位差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：p=gh电容差压变送器用于测量液体的液位投入式水位计四、流量的基本概念体积流量qV=Av，单位为m3/h或L/s；质量流量qm=Av，单位为t/h或kg/s。例：设测得流速