第4章 电容式传感器

河南科技大学机电学院第4章电容式传感器本章学习要求：1.掌握电容式传感器的原理、特点、类型、信号调理电路及其工程应用；2.了解容栅传感器的原理、类型及调理电路；3.了解电容集成传感器的原理、类型及电路。新型传感器原理及应用河南科技大学机电学院第4章电容式传感器4.1工作原理及结构类型4.1.1工作原理：将被测量变化转换为电容量变化，实质是可变参数的电容器。δ、A或ε发生变化时，都会引起电容量的变化。两平行极板构成的电容器，其电容量为：AAC0r+++A河南科技大学机电学院AC004.1工作原理及结构类型++++++1.变极距式（1）极距变化型4.1.2结构类型uouuo河南科技大学机电学院AC00当两极板相对运动时：0由于初始电容量：ACCC00CCC2300000000/[1()()]1/非线性误差：0100%灵敏度：CCAS02004.1.2结构类型河南科技大学机电学院差动结构：CCCC241200002[1()()]定极板定极板动极板12CCAS020022灵敏度：非线性误差：20()100%——灵敏度提高一倍——非线性误差减小4.1.2结构类型河南科技大学机电学院2.变面积式当动极板有角位移时，电容变化量：ArC22rC22灵敏度：CrS22常数角位移型4.1.2结构类型河南科技大学机电学院ΔxbbxC电容变化量：平面直线位移型：bxCCbSx灵敏度：常数4.1.2结构类型河南科技大学机电学院圆筒直线位移型：dDlC/ln2DdlCD/d2ln电容的变化量：灵敏度：CSlD/d2ln=常数4.1.2结构类型河南科技大学机电学院3.变介电常数式AC4.1.2结构类型河南科技大学机电学院00)(xxxxalbbaCxxlbC0测介质厚度测介质位置xhhCDdDd0022()ln(/)ln(/)测液位测温湿度4.1.2结构类型河南科技大学机电学院4.2.1运算放大器电路CCuuuCAox4.2信号调理电路uuoiixCCx若Cx是变面积式电容传感器时，则将Cx与C交换位置即可。第4章电容式传感器河南科技大学机电学院4.2.2电桥电路(差动半桥)电容电桥调幅波4.2信号调理电路河南科技大学机电学院u/2uuoC1C2u/2CCuuCC12o122AC10AC20uuo02变极距式：AAC01()AAC02()uAuAAo02变面积式：电桥开路时输出电压为：uo与u成正比，故要求u波动极小，需要采用稳幅、稳频等措施。4.2.2电桥电路河南科技大学机电学院4.2.3调频电路放大CCcCxL振荡器限幅鉴频振荡器的振荡频率为：fLC12xcCCCC()初始状态：xCC0cfL(CCC0012)工作状态：xCCC0cfffL(CCCC0012)输出是一个受被测信号调制的调频波，便于与计算机通讯，抗干扰能力强，可以实现遥测遥控。4.2信号调理电路河南科技大学机电学院4.2.4双T形电路D1VR1R2RLC1C2uD2V（1）当u=U时，VD1导通，VD2截止，C1充电，C2放电。流经RL的电流为：RLUi1i2R1R2C1C2iiiL12u为对称方波的高频电源电压，VD1、VD2特性一致，R1、R2阻值相等，RL为负载电阻。4.2信号调理电路河南科技大学机电学院RRRUURCCfCCCRRLoL12122L(2)()()RL两端的平均电压为：i1i2R1R2C1C2RLU（2）当u=-U时，VD1截止，VD2导通，C1放电，C2充电。流经RL的电流为：iiiL12该电路具有结构简单、灵敏度高、动态响应快、过载能力强、能在恶劣环境(如高、低温及强辐射)中正常工作等优点。但要求u必须是稳幅稳频和高幅高频的对称方波。4.2.4双T形电路河南科技大学机电学院4.2.5脉冲调宽电路双稳态触发器1AΔABRQQUrCDR1R2C1C22AΔSD1V低通滤波器UoD2V双稳态触发器采用负电平输入(低电平有效)，输出由电压比较器控制。若A1输出为负电平时(R为复位端)，则Q端为低电平；若A2输出为负电平(S为置位端)，则Q端为高电平。4.2信号调理电路河南科技大学机电学院设接通电源后UA=U，UB=0，UA通过R1对C1充电，C2通过VD2放电。当Uc≥Ur时A1翻转，双稳态稳态触发器也跟着翻转，UA=0，UB=U，UB通过R2对C2充电，C1通过VD1放电。当UD≥Ur时A2翻转，双稳态稳态触发器再一次翻转，周而复始重复上述过程，在A、B点分别输出宽度受C1、C2调制的矩形脉冲。4.2.5脉冲调宽电路双稳态触发器1AΔABRQQUrCDR1R2C1C22AΔSD1V低通滤波器UoD2V河南科技大学机电学院（1）初始状态C1=C2=C0、R1=R2=R、，UA和UB脉冲宽度相等，即UAB为对称方波，所以低通滤波器输出的平均电压Uo=0。各点波形如右图所示。12UAUABUCUDT2tT1UrUrUBtttt4.2.5脉冲调宽电路双稳态触发器1AΔABRQQUrCDR1R2C1C22AΔSD1V低通滤波器UoD2V河南科技大学机电学院（2）当C1≠C2时，，，则，各点波形如右图所示。UA和UB脉冲宽度不相等，低通滤波器输出电压为：CCC10CCC2012TTCCUUUTTCC1212o1212UTRCUUiirln——C1C2充电至Ur时所需时间。UoUAUBUABUCUrUDUrT2T1ttttt4.2.5脉冲调宽电路双稳态触发器1AΔABRQQUrCDR1R2C1C22AΔSD1V低通滤波器UoD2V河南科技大学机电学院4.3电容式传感器的应用4.3.1电容式压差传感器当p1=p2时，膜片处于中间位置，C1=C2，经双T形电路输出电压为零。当p1p2(或p1p2)时，膜片向压力小的一侧弯曲，C1≠C2，则输出电压与成正比。pp12电镀层膜片焊接密封圈隔离膜硅油p1p2第4章电容式传感器河南科技大学机电学院4.3.2电容式加速度传感器质量快绝缘体弹簧片定极板C1C2壳体传感器外壳与被测振动体刚性连接，当传感器随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质量块相对壳体运动产生惯性力，在一定频率范围内，惯性力与振动加速度成正比。4.3电容式传感器的应用河南科技大学机电学院4.3.3电容式应变传感器当两个固定点受压应力时，拱弧曲率发生变化，电容量减小。F当端面承受荷重而使圆孔变形时，每个电容器极板间的距离变小、电容量增大。在测量电路中将所有电容并联，总电容变化量正比于被测平均荷重。F4.3.4电容式荷重传感器4.3电容式传感器的应用河南科技大学机电学院4.3.5电容式测厚传感器被测带材轧辊电容极板在轧钢过程中带材厚度变化时，将引起电容量发生变化（相当于两个电容并联），从而实现带材厚度的在线检测。电容极板被测旋转轴电容极板4.3.5电容式位移传感器当轴旋转时因轴承间隙等原因产生径向位移和摆动，两极板之间的距离发生变化，相应电容量也发生变化，经过信号调理电路，即可测量旋转轴的回转精度。电容4.3电容式传感器的应用河南科技大学机电学院产品:原理：液体力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移陶瓷电容压力传感器压力变送器4.3电容式传感器的应用河南科技大学机电学院产品:电容式液位传感器（液位计/料位计）原理：液面位置发生变化，两电极侵入液体中的高度发生变化4.3电容式传感器的应用河南科技大学机电学院电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头是电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的间距发生变化，从而使得与测头相连的电路状态也发生变化。4.3电容式传感器的应用河南科技大学机电学院第4章电容式传感器4.4容栅式传感器4.4.1工作原理动栅尺定栅尺发射电极接收电极屏蔽电极屏蔽电极反射电极长容栅由定栅尺和动栅尺组成，定栅尺上蚀刻反射电极，动栅尺上蚀刻发射电极和接收电极，各电极之间相互绝缘。在测量电路中将电容并联连接，最大电容量为：nabCmax河南科技大学机电学院CCmax0WW2x234定子转子圆容栅由同轴安装的定子和转子组成，在内、外柱面内蚀刻一系列宽度相等的齿和槽。当转子旋转时，定子和转子齿面的相互覆盖面积呈周期性变化。容栅传感器相当于一系列变面积式电容传感器并联连接。由于多级电容的平均效应，使其抗干扰能力强，精度高，测量范围大。用于电子数显量具、数显机床标尺、测长机等。4.4容栅式传感器河南科技大学机电学院4.4.2结构类型1.直电极反射式动栅尺上排列一系列尺寸相同、间距为l0的小发射电极片和接收电极，定栅尺上均匀排列一系列尺寸相同、间距为8l0的反射电极片，动栅尺和定栅尺的电极面相对、平行安装。动栅尺定栅尺发射电极接收电极屏蔽电极屏蔽电极反射电极4.4容栅式传感器河南科技大学机电学院2.直电极透射式由一个开有均匀间隔矩形窗口的金属带(动栅尺)和测量装置(定栅尺)组成。测量装置的一侧固定一系列小发射电极片，另一侧固定一个接收电极，当金属带随被测位移在测量装置中移动时，发射电极通过金属带上的矩形窗口与接收电极形成耦合电容。金属带起屏蔽作用。矩形窗口测量装置金属带金属带测量装置接收电极发射电极4.4容栅式传感器河南科技大学机电学院3.反射式L形电极屏蔽电极反射电极与直电极反射式结构相同，定栅尺的反射电极为L形，其目的是增大反射电极的面积，增加耦合电容，提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性。4.4容栅式传感器河南科技大学机电学院4.4.3信号调理电路1.调幅式位置a位置b123456789123456789l0测量转换电路方波发生器显示ABUo1S2SPoxUrUrAABBPPl0A、B为动栅尺上的两组发射电极片，各由4个小极片组成，P为定栅尺上的反射电极片，构成差动电容CA、CB；开关S1、S2由方波发生器的高低电平控制，轮流将直流参考电压±Ur和转换电路的直流输出电压Uo接入A、B两组电极片。4.4容栅式传感器河南科技大学机电学院（1）当动栅尺处于位置a时(x=0)，A组的小极片3、4和B组的小极片5、6与定栅尺的电极片P重合，此时CA=CB，测量转换电路的输出电压Uo=0；位置a位置b123456789123456789l0AABBPPl0（2）当动栅尺向右移动一个小极片距离l0而处于位置b时(x0)，A组的小极片2、3、4和B组的小极片5与定栅尺的电极片P重合，此时CACB，测量转换电路的输出电压Uo0。CCUUCCCxCCABorABAB4.4容栅式传感器河南科技大学机电学院2.调相式442345432位置aS0EMR12345678l0x位置bS42042345432ERM112345678E、R分别为动栅尺上的发射电极和接收电极，发射电极每8片为一组，分别通以8个幅值为Um、角频率为、相位依次相差的正弦激励电压；M、S分别为定栅尺上的反射电极和接地的屏蔽电极。/44.4容栅式传感器河南科技大学机电学院（1）当两个栅尺处于相对位置a时，每个发射电极片与反射电极片完全覆盖，所形成的电容量为C0；442345432位置aS0EMR123456784.4容栅式传感器河南科技大学机电学院l0x位置bS42042345432ERM112345678（2）当两个栅尺相对移动x而处于位