电容式传感器的应用P

第四讲电容式传感器一、电容式传感器的工作原理二、电容式传感器的分类三、电容式传感器的特性四、电容式传感器优缺点五、电容式传感器的测量电路六、电容式传感器的应用七、电容式传感器的使用注意事项河南工业职业技术学院电气工程系一、电容式传感器的工作原理电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中。二、电容式传感器的分类电容式传感器变极距式变面积式变介质式图2-4-1电容式传感器的分类1、变极距式电容式传感器三、电容式传感器的特性图2-4-2平板电容式传感器a)变极距式示意图b)变极距式的特性c）差动式示意图以平板电容为例：定极板动极板极距dSC改变d可以改变电容量。其特性为非线性，但若很小时，则可以近似为线性特性，而且具有很高的灵敏度。它还可以做成差动式结构，以提高灵敏度、减小非线性，如图2-4-2所示。设极板面积为S，其静态电容量为讨论只有当x＜＜d时，则1122dx)1(0dxCCdSC22011dxdxCxdSC1）电容量C与x不是线性关系，只有当x＜＜d时，才可认为是最近似线形关系。当活动极板移动x后，其电容量为4）一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来提高绝缘性。2）要提高灵敏度，应减小起始间隙d过小。3）当d过小时，又容易引起击穿，同时加工精度要求也高了。5）在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。2、变面积式电容式传感器（1）直线位移型当动极板移动△x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为axCxdbCCC00其灵敏度为dbxCK变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线形关系。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为（2）角位移型当θ=0时dSC000)1(CCdSC当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系（3）圆柱型电容传感器当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化：dSC03、变介质式电容式传感器当电介质改变时，电容量也会变化，可用下式表示。上图为介质变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。dSC0dDHKCrln00hdDKCCrrln)(010-变介质电容式液位传感器外筒内径内筒外径传感器总高度介质高度传感器的初始电容值为：有液体介质后传感器的电容值为：可见，传感器的电容增量与被测液位高度成正比。故这种传感器可以测量液位、料位的高度。设被测介质的相对介电常数为εr1，空气的相对介电常数为εr0＝1。四、电容式传感器的优缺点优点:1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）2.结构简单、适应性强3.动态响应好4.可以实现非接触测量、具有平均效应动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。缺点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106～108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响。2、寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度五、电容式传感器的测量电路常用电路有:交流电桥、差动脉冲调宽电路、双T电桥电路等。1、交流电桥图2-4-3a)单臂电容电桥b)差动电容电桥电路原理如图2-4-4所示。图中C、CX为差动电容式传感器的电容，RL为负载电阻，VD1、VD2为理想二极管，R为固定电阻。2、双T电桥电路原理：当VD1导通、VD2截止时C充电；反之VD1截止、VD2导通时CX充电，由图中可以看出，一路通过R、RL、VD1，另一路通过R、RL、VD2，这时流过RL的电流为i。若C或CX变化时，在负载RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。图2-4-4双T电桥电路3、差动脉冲调宽电路图2-4-5差接脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号当Cx1=Cx2时，两个电容充电时间常数相等，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。反之不为零，且T1正比于Cx1，而T2正比于Cx2，输出电压为可见，输出电压与电容变化成线性关系。1x2x1x2x10uCCC-Cu分析差动脉冲宽度调制电路电压波形设电容CX1和CX2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2差动变极距型差动变面积型EUddddU12120EUSSSSU12210特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器并具有理论上的线性特性六、电容式传感器的应用P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)；能测微小压差(0～0.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。上一页返回下一页1、电容式差压传感器231B面A面546Cx1Cx21、5－固定极板2－壳体3－簧片4－质量块6－绝缘体2、电容式加速度传感器精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度。电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。3图2-4-6差动式电容测厚仪系统组成框图音频信号发生器音频放大器全波整流器差动放大器C0C1C2RRCT4、电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套七、电容式传感器的使用注意事项1）击穿电压电容式传感器极板之间的空气隙d很小，存在介质被击穿的危险，通常在两极板间加云母片以避免空气隙被击穿。2)极片材料受温度的影响由不同材料制造成的传感器，具有不同的温度膨胀系数，为此在决定传感器尺寸和选材时均要考虑温度影响。3）连接线问题电容式传感器的电容值均很小，一般在皮法(10-12F)级，因而连接线通常使用分布电容极小的高频电缆。