3.4 电容式传感器

现代测试技术一．电容式传感器的工作原理和结构二．电容式传感器的测量电路三．电容式传感器的应用3.4电容式传感器现代测试技术一.电容式传感器的工作原理和结构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。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dSC式中:ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；S——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。现代测试技术电容式传感元件的各种结构形式12(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)现代测试技术当被测参数变化使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。因此，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。现代测试技术分类示意图：c)介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++a)极距变化型;+++现代测试技术1变极距型电容传感器当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为000dSCr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，则有200000000111ddddCddCddSCCCr现代测试技术变极距型电容式传感器Ard现代测试技术若Δd/d01时，1-(Δd/d0)2≈1，则000ddCCC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,此时电容C变为现代测试技术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。现代测试技术gdgd00放置云母片的电容器现代测试技术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。同时，dg/ε0εg项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。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。现代测试技术变面积型电容传感器原理图bxadxS2变面积型电容式传感器现代测试技术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dbxaCCCr)(00式中C0=ε0εrba/d为初始电容。电容相对变化量为axCC0很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系。现代测试技术电容式角位移传感器原理图动极板定极板现代测试技术当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时，则0000dSCr式中：εr——介质相对介电常数；d0——两极板间距离；S0——两极板间初始覆盖面积。现代测试技术当θ≠0时，则000001CCdSCr可以看出，传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。现代测试技术电容式液位变换器DdHh13变介质型电容式传感器现代测试技术上图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设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，此时变换器电容值为dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011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,即dDnHC120此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。现代测试技术Rr0L电容式物位计原理图LxLLrRCLLLrRCxxx000)(ln2)(ln2即现代测试技术变介质型电容式传感器L0Ld0r1r2现代测试技术变介质型电容传感器有较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为02010021)(dLLLbCCCrr现代测试技术02000)1(LLCCCCCr式中：L0和b0——极板的长度和宽度；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。当被测介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为可见，电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。现代测试技术电介质材料的相对介电常数表现代测试技术二.电容式传感器的测量电路1调频电路调频测量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。虽然可将频率作为测量系统的输出量，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。现代测试技术式中：L——振荡回路的电感；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。调频式测量电路原理框图鉴频器限幅放大器振荡器CxLCx电容变换器fufu现代测试技术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。现代测试技术2运算放大器式电路运算放大器可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。运算放大器式电路原理图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压;Σ是虚地点。由运算放大器工作原理可得..ixoUCCU如果传感器是一只平板电容，则Cx=εS/d，可得dSCUUio现代测试技术cbICiU∑iIcxICxoUA运算放大器式电路原理图现代测试技术对于变极距差动电容传感器:反相比例放大器：xixxdACUUdAC0000000011iCUZIIjIjwCwC011xCxxxxxUZIIjIjwCwC00xII00ixCUUC0IiUOiIxIoU－KxC0C现代测试技术A1A2UrR1R2C1D1D2C2QQAFBGA3+V-VU0R-S触发器3脉冲宽度调制电路现代测试技术双稳态触发器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUR比较器循环工作现代测试技术U0平均值为零U0平均值不为零现代测试技术1211121212110uTTTTuTTTuTTTuuuBAruuuCRT11111lnruuuCRT11222ln设R1=R2与电容差值成正比121210uCCCCu现代测试技术在变极板距离的情况下可得12121UddddUo式中,d1、d2分别为Cx1、Cx2极板间距离。当差动电容Cx1=Cx2=C0，即d1=d2=d0时，Uo=0；若Cx1≠Cx2，设Cx1Cx2，即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,则有10UddUo现代测试技术同样，在变面积电容传感器中，则有1USSUo由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。现代测试技术三.电容式传感器的应用1电容式压力传感器差动式电容压力传感器结构图外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器现代测试技术2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—壳体现代测试技术3差动式电容测厚传感器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。现代测试技术差动式电容测厚传感器的测量原理框图如图4-19所示。音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容C0和带材与极板形成的被测电容Cx(Cx=C1+C2)组成。电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指示出带材厚度的变化。现代测试技术*交流电桥电路VZ1Z2Z3Z4•△V•将电容传感器接入电桥的一个臂，不平衡电桥输出：3121242121234()ZZZZZZVVZZZZZZ为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。现代测试技术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C0C1C2RRCT现代测试技术加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊现代测试技术汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。现代测试技术汽车气囊对驾驶员的保护作用现代测试技术利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置现代测试技术带报警器的家庭使用型湿度计湿敏电容传感器的使用现代测试技术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。现代测试技术当油箱中注满油时，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）。现代测试技术作业•1.电阻式传感器有哪些？电阻应变式传感器的工作原理是什么？•2.请简述自感式电感传感器的工作原理。•3.计算变气隙型自感传感器的灵敏度。•4.说明同心圆筒式电容传感器如何测量液位。现代测试技术本次课到此结束