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1、2019/5/21,1,机电类 自动检测技术 第五章 多媒体课件 统一书号：ISBN 978-7-111-40710-2 课程配套网站 www.sensor- 或 2013年1月版,第五章 电容传感器,本章介绍电容传感器的分类、结构、基本原理及应用，重点介绍FM调频电路。还介绍硅微机械加工技术制作的摆式硅微电容加速度传感器，电容接近开关，以及压力、液位、流量的基本概念，测量方法等。,5.1 电容传感器工作原理及结构形式 5.2 电容传感器的测量转换电路 5.3 电容传感器的应用 5.4 压力、液位和流量的测量,第五章 电容传感器 目录,第一节 电容式传感器的 工作原理及结构形式,电容传感器以各
2、种类型的电容器作为传感器元件，将被测物理量转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。 电容传感器具有如下优点： （1）可获得100%以上的相对变化量 。 （2）能在恶劣的环境条件下工作。 （3）所需的激励源功率小，本身发热问题可不予考虑。 （4）动态响应比电感传感器快。,电容器在收音机中的应用,并联在收音机LC谐振电路的电感两端的电容量越大，所接收到的电台的频率就越低。,电容器在收音机中，用于改变谐振频率， 从而调整所要接收的电台。,变容二极管在收音机中的应用,并联在变容二极管两端的反向偏置电压越大，PN结就越厚，上下极板（P极和N极）的“间距”就越大，等效电容就越小，收音机
3、谐振电路的频率就越低。,第一节 电容式传感器的工作原理 及结构形式,电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为 式中 A两极板相互遮盖的有效面积（m2）； d两极板间的距离，也称为极距（m）； 两极板间介质的介电常数（F/m）； r两极板间介质的相对介电常数； 0真空介电常数,0=8.8510-12(F/m),电容器的边缘效应,理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时，将引起测量误差。,三种类型的电容传感器,在A、d、三个参量中，改变其中任意一个
4、量，均可使电容C 改变。也就是说，电容C 是A、d、的函数，这就是电容传感器的基本工作原理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下三种类型的电容传感器： 变面积式电容传感器、 变极距式电容传感器 、 变介电常数式电容传感器。,一、变面积式电容传感器,C,C,C,d0,A,x,x,d0,1定极板 2动极板 3外圆筒 4内圆筒 5导轨 6测杆 7被测物 8水平基准,变面积式电容传感器简析,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。,平行板形变面积式电容传感器的容量变化,设两
5、极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为b，极距固定为d0，当动极板随被测物体向左移动x后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随之减小，电容Cx 为 式中 C0初始电容值 在变面积电容传感器中，电容Cx与直线位移x成正比。,角位移式的结构,1-动极板 2-定极板 极板2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。,保持极距 d0不变,C,角位移,A,圆筒形直线位移传感器,外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。设内圆筒的外半径、外圆筒的内半径分别为R和r，两者原来的遮盖长度为h0，电容量与位移成正比：,Cx,A,A,变面积式电容传感器的特性总结,
6、变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,CA,A,1-实际特性 2-理论特性,二、变极距式电容传感器,当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。,实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。,变极距式电容传感器的特性曲线,从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使d0小一些为好，但行程变小（动静极板接触）。,a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1定极板 2动极板 3弹性膜片,变极距式电容传感器的特性及灵敏度,设初始极距
7、为d0，当动极板向上位移时，极板间距减小了x值后，其电容变大。设，则有 电容Cx与位移x不是线性关系，其灵敏度Kx不为常数：,差动式电容传感器,a）差动变极距式 b）差动变面积式 1动极板 2定极板,差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算机来计算修正 。,差动式电容传感器特性曲线,1-上面的电容特性 2-下面的电容特性 3-差动特性 线性好，灵敏度高,A1,A2,C1,C2,1-上、下外电极引线 2-接地电极,三、变介电常数式,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
8、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,变介电常数式电容传感器,当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，电容C也就越大。C等效于空气所引起的电容C1和被测介质所引起的电容C2的并联 式中 C1空气介质引起的等效电容； C2被测介质引起的等效电容； 介质的厚度； d极距,磁粉 制动器,励磁信号,电动机,张力信号,张力传感器,张力传感器,信号处理器,厚度信号,绝缘薄膜张力及厚度测量系统,拉力,上下极板,变介电常数式电容传感器的用途,不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当介质厚度保持不变、而相对介电常数r改变时，该电容器可作为相对介电常数r的测试仪器。又如，当空气湿度变
9、化，介质吸入潮气（r水=80）时，电容将发生较大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感器。反之，若r不变，则可作为检测介质厚度的传感器。,变介电常数式电容传感器的用途,当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度越大，电容C也就越大。C等效于空气所引起的电容C1和被测介质所引起的电容C2的串联： 式中： C1空气介质引起的等效电容； C2被测介质引起的等效电容； 介质的厚度； d极距,电容式液位计(可以理解为变面积或变介电原理),a)同轴内外金属管式 b)金属管外套聚四氟乙烯套管式 c)带底座的电容液位传感器的结构,1内圆筒 2外圆筒 3被测绝缘液体 4被测导电液体 5聚四氟乙烯套管 6顶盖
10、 7绝缘底座 8信号传输屏蔽电缆,电容Ch与液面高度h (从管状电极底部算起)的关系式为,式中 h 1:电容器极板高度；r：内圆管状电极的外半径； R：外圆管状电极的内半径；h：不考虑安装高度时的液位;0：真空介电常数（空气的介电常数与之相近）； r1：被测液体的相对介电常数； 1：被测液体的介电常数；1=r10。,变面积式电容式液位计（导电液体）,棒状电极（不锈钢金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，不锈钢金属管的下半部分与导电液体之间构成电容，两者之间的介质就是聚四氟乙烯薄层。 当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间有效高度增大。由于聚四氟乙烯的介电常数是空气的2倍，所以电容变大。,
11、聚四氟乙烯外套,第二节 电容式传感器的测量转换电路,常见的有变压器桥式电路、双T电桥电路、脉冲宽度调制电路、FM调频电路等。 FM调频电路 调频电路是将电容传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容Cx变大时，振荡器的频率f 变低。由于振荡器的频率受电容传感器的调制，实现C /f 的变换。,调频（FM）电路,TTL电平的高电平和低电平 电压范围分别是多少伏？,电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的调频电路有何区别？上式中哪个量是变量？,脉冲调制电路,利用某种方法对半导体开关器件的导通和关断进行控制，在电路的输出端得到一系列按一定规律变化的、幅值相等，宽度不相等的脉冲。,脉冲调制电路分析,当双
12、稳态触发器的Q端输出为高电平时，A点通过R1对C1充电，F点电位逐渐升高。在Q端为高电平期间，Q端为低电平，电容C2通过低内阻的二极管VD2迅速放电，G点电位被钳制在低电平。当F点电位升高超过参考电压UR时，比较器A1产生一个“置零脉冲”，触发双稳态触发器翻转，A点跳变为低电位，B点跳变为高电位。此时C1经二极管VD1迅速放电，F点被钳制在低电平，而同时B点高电位经R2向C2充电。当G点电位超过UR时，比较器A2产生一个“置1脉冲”，使触发器再次翻转，A点恢复为高电位，B点恢复为低电位。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受C1、C2调制的脉冲波形。当C1C2时，t1t2，经
13、低通滤波器后，获得的输出电压平均值Uo为正值。,脉冲调制电路的输出波形,a）C1=C2时的波形 b）C1C2时的波形,二极管双T形交流电桥电路,Ui是频率为f的高频激励电源(约1MHz)，它提供了幅值对称的方波。VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管,固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容，初始值C1=C2 。 在Ui为正半周时， VD1导通、VD2截止， 于是电容C1快速充电 到Ui的幅值， 有电流i1流过RL。 在随后的负半周期间，VD1截止、VD2导通，于是电容C2快速充电到Ui的幅值,而电容C1放电。有电流i2逆向流过RL。,二极管双T形交流电桥电路分析,在初始状态
14、，由于C1=C2，所以电流i1=i2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流IL=0。 若差动电容传感器的C1C2，则i1i2。在一个周期内流过RL的平均电流IL 就不为零，输出电压Uo 在一个周期内平均值为 当 为常数时，有： 输出电压Uo与双T形电桥电路中的电容C1和C2的差值成正比。,二极管双T形交流电桥电路特点,电路的灵敏度KT与激励电源电压幅值Ui以及频率f有关，故对激励电源稳定型要求较高。选取Ui的幅值高于二极管死区电压的10倍以上，可使二极管VD1、VD2工作在线性区域。R1、R2及RL的取值范围为10100k。可以在RL之后设置低通滤波器，能获得平稳的直流输出电压。 双T形
15、电桥电路具有以下特点： 电路较为简单；差动电容传感器、信号源、负载有一个公共的接地点，不易受干扰；VD1和VD2工作在伏安特性的线性段，死区电压影响较小；输出信号为幅值较高的直流电压。,第三节 电容式传感器的应用,电容器的容量受三个因素影响，即：极距 x、相对面积 A 和极间介电常数 。固定其中两个变 量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。,电容式液位限位传感器,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。 液位限位传感器
16、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系列。,聚四氟乙烯外套,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法： 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,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源 指示灯,电容加速度传感器,微电子机械系统（MEMS）技术可以将一块多晶硅加工成多层结构，制作“三明治”摆式硅微电容加速度传感器。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一
