电气检测技术(新6)

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1、4.3电容式传感器工作原理：利用电容器的原理，将一些非电物理量转化为电容 量，实现非电量向电量的转化及测量。应用领域：广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密 测量，且逐步扩大应用于压力、液面、成分含量等方面 的测量。特点：结构简单，体积小，分辨率高，可进行非接触测量等 。1一、基本工作原理电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。忽略 边缘效应，可得到平板电容器的电容为：- 平行板间介质的相对介电常数- 真空介电常数- 平行板间介质的介电常数- 两平行板所覆盖的面积- 两平行板之间的距离- 电容量 234电容式传感器的分类：变面积型、变间隙型、变介电常数型实际的使用中，电容式传感器通常以

2、改变平行板极间 的距离来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度要高于 改变其他参数的电容传感器的灵敏度。改变平行板间距的电容传感器可以测量微米数量级的 位移，而改变面积的传感器只适用于测量厘米数量级 的位移。5变面积式电容传感器图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图c是一个角位移式的结构。极板1的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。6二、电容式传感器的结构类型及主要特性 1、变间隙型电容的电容量：电容的相对变化量：

3、传感器的灵敏度为： 电容传感器的电容相对变化实际关系： 7说明： 1、从灵敏度公式中可看出，当板极间的初始距离d较 小时，对于同样的板极间距离变化d所引起的电容量的 变化C可以增大，从而使传感器的输出灵敏度提高；不 过当板极间初始距离d过小时，容易引起电容器被击穿；2、一般电容式传感器的初始电容在 之间， 板极间距离在 范围内，最大位移应该 小于间距的1/10。3、这种结构非线性误差较大 82、变面积型变面积型(角位移变面积型、板状线位移变面积型、 筒状线位移变面积型）电容传感器的电容量的变化值 与位移（角位移、线位移）呈线性关系。3、变介电常数型改变电容极板之间的介电常数，用于测量物位、含水

4、 量和成分等。9因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数104、差动电容式传感器 初始：差动电容传感器的电容变化为： 11三、测量电路 电容式传感器的测量电路较多，通常采用的包括电桥电路、调频电路、差动脉冲调宽电路以及运算放大 器电路等。121、电桥电路电桥采用稳定频率、稳定幅 度、固定波形的信号源(低内阻)激励，经电流放大和相敏整流得 到直流输出信号。13电桥平衡条件为： 电桥输出电压为：-为电容的耗损电阻-为差动电容的变化量-电容的初始值- 、 的等效阻抗 142、调频电路调频测量电路就是把电容式传感器作为振荡器谐振

5、 回路的一部分，当输入变化导致电容量发生变化时，振 荡器的振荡频率就发生变化。 15振荡器的频率为：- 为振荡回路的固有电容；- 为传感器引线的分布电容；- 为传感器的电容- 为传感器电容的变化量16被测信号为0时，传感器电容的变化为0， 振荡器的固有频率为：被测信号不为0时，传感器电容的变化为 ，振荡器的输出频率为： 频率的变化通过鉴频器后变换为振幅的变化 ，幅值经过一定的放大后就可以进行输出 。 173、差动脉冲调宽电路 C1、C2为差动电容传感器 A1、A2为比较器D为双稳态RS触发器 Ur为参考电压 18电路说明：初态：A：高电位；B：低电位；R、S：低电平1、A高电位时，对电容C1充

6、电，G处于低电位，当C1 上的电压(F点电压)满足 时，比较器A1输出高 电平， A1保持输出低电平，即触发器的控制输入端S=1、 R=0，触发器翻转 、 ；2、 时，B点高电位，给电容C2充电，当 时，比较器A2输出高电平，由于电容C1放电后，比较器 A1输出低电平，触发器的控制输入端S=0、R=1，触发 器翻转： 、 ； 3、上述过程不断重复。19波形图：20A、B端输出一个脉宽受C1、C2调制的方波， C1=C2 时，由于充放电的时间相同，输出占空比1：1的方波， 此方波的平均值为0，当C1C2时，电容的充放电时间不 同，方波的占空比发生改变，A、B间输出电压的平均 值不再为0，经过LP

7、F平滑滤波后，输出电压为：U1为触发器的输出高电平， T1、T2分别为C1、C2的充电时间 。 21输出电压为：差动电容的变化使充电时间不同，从而触发器输出端 的方波脉宽不同而产生输出。结论：不论是变间隙型还是变面积型电容传感器均能获得线 性输出。 22变间隙型电容传感器：差动电容器发生变化时，可得到传感器输出电压为：变面积型的电容传感器： 差动电容器发生变化时，可得到传感器输出电压为：23脉冲调宽电路具有如下特点： 1) 不需要特殊电路，只要经过低通滤波器就可以得到 较大的直流输出。2) 不需要高频发生器。3) 由于低通滤波器的作用，对输出矩形波的纯度要求 不高。 244、运算放大器电路 利

8、用运放的高增益、高输入阻抗的特点，可克服 变间隙型电容传感器特性 的非线性情况，使其输出 信号能与输入机械位移呈 线性关系，选用高输入阻抗的运放，根据运放的工作原 理，可以得到下式成立：25可见，输出电压的幅值与电容式传感器动片的机械 位移d成线性关系，这就从原理上克服了单个变间隙型电容传感器特性的非线性误差问题。需要指出的是，由于放大器增益有限，且输入阻抗也不会为无穷大，所以仍然具有一定的非线性误差。为 了防止干扰和减小杂散分布电容的影响，必须采取特殊 措施即所谓的驱动电缆技术。 26四、电容传感器的特点及应用范围 电容传感器的特点：结构简单，灵敏度高，分辨率高，能感受0.01um甚至更小的

9、位移，无反作用，需要的动作能量低，动态响 应好，可实现无接触测量，能在恶劣的环境下工作；缺点：输出特性非线性，受分布电容影响大。但是随着新工艺，新材料问世，特别是电子技术的发展，使干扰和 寄生电容等问题不断得到解决，因此越来越广泛地应用 于各种测量中。27应用：1、测量直线位移、角位移、振动振幅(可测 微小振幅)。 2、测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。3、测量压力、差压、液位、料面、成分含量(如油、 粮食、木材的含水量)及非金属材料的涂层、油膜的厚度 。4、测量电介质的温度、密度、厚度等。5、作为位置信号发生器。6、采用单边式电容传感器，把被测物作为电容器的一个电极，另一个

10、电极则在传感器内，它可以用来测定 料位、振动振幅，具有测量精度高，快速准确的特点。 2829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30电容式液位限位传感器n液位限位传感器与液位变送器的区 别在于：它不给出模拟量，而是给 出开关量。当液位到达设定值时， 它输出低电平。但也可以选择输出 为高电平的型号。31液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮32湿敏

11、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。 33湿敏电容外形吸水高分子薄膜34湿敏电容模块及传感器外形35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。 36电容式接近开关外形齐平式非齐平式 37全密封防水式远距离式（大量程）38温度传感器的种类及特点l 接触式温度传感器

12、l 非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触 进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降 低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测 量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度 的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出 红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成 本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸 收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产 生消耗；反应快等。39物 理 现 象体积热膨胀 电阻变化温差电现象导磁率变化 电容变化 压电效应超声波传播速度变化物质 颜色 PN结电动势

13、晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种 类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料 液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器 光学高温计1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计1 热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金40热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振 动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射 传感器、晶体管

14、、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分 类特 征传 感 器 名 称 超高温用 传感器1500以上光学高温计、辐射传感器高温用 传感器10001500光学高温计、辐射传感器 、热电偶 中高温用 传感器5001000光学高温计、辐射传感器、 热电偶 中温用 传感器0500低温用 传感器-2500极低温用 传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷晶体管、热敏电阻、 压力式玻璃温度计见表下内容测 温 范 围温度传感器分类(1)41分 类特 征传 感 器 名 称测温范围宽 、 输出小测温电阻器、晶体管、热电偶 半导体集成电路传感器、 可控硅、石英晶

15、体振动器、 压力式温度计、玻璃制温度计线性型测温范围窄 、 输出大热敏电阻指数型 函数开关型 特性特定温度 、输出大感温铁氧体、双金属温度计测 温 特 性温度传感器分类(2)42分 类特 征传 感 器 名 称测定精度 0.10.5铂测温电阻、石英晶体振动 器、玻璃制温度计、气体温 度计、光学高温计温度 标准用测定精度 0.55热电偶、测温电阻器、热敏电 阻、双金属温度计、压力式温 度计、玻璃制温度计、辐射传 感器、晶体管、二极管、半导 体集成电路传感器、可控硅绝对值 测定用管理温度 测定用相对值1 5测 定 精 度温度传感器分类(3)43此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。44公元1600年，伽里略研制出气体温度计。一 百年后，研制成酒精温度计和水银温度计。 随着现代工