电容式传感器及其应用

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任务1 电容式传感器基本知识
• 3.变介电常数式电容传感器 • 变介电常数式电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化
使其极板之间的介质情况发生变化。这类传感器主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。 • 如图3 -6(a)所示，图中两平行极板固定不动，极距为ζ0，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。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果，即
• 在电路初始状态时，设电容C1= C2= C0，当接通工作电源后双稳态触发器的R端为高电平，S端为低电平，双稳态触发器的Q端输出高电平，Q端输出低电平，此时μA通过R1对C1充电，C点电压μC升高，当 μC> μR时，电压比较器A1的输出为低电平，即双稳态触发器的R端为低电平，此时电压比较器A2的输出为高电平，即S端为高电平。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 极距变化型电容传感器的优点是可实现动态非接触测量，动态响应特性好，灵敏度和精度极高(可达nm级)，适应于较小位移(1 nm~1 μm) 的精度测量。但传感器存在原理上的非线性误差，线路杂散电容(如电缆电容、分布电容等)的影响显著，为改善这些问题而需配合使用的电子电路比较复杂。
板的相对面积A也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 当θ=0时， • 当θ≠0时， • 由(3-8)式可知，电容Cθ与角位移θ呈线性关系。其灵敏度为
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任务1 电容式传感器基本知识
• 由以上分析可知，变面积式电容传感器的输出是线性的，灵敏度K是一常数。
课题3 电容式传感器及其应用
• 任务1 电容式传感器基本知识 • 任务2 电容式传感器的应用 • 任务3 电容式传感器知识扩展—电容器指
纹识别 • 任务4 电容式传感器项目实训—由集成电
路制作的电容感应式控制电路
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任务1 电容式传感器基本知识
• 3.1.1电容式传感器工作原理及结构
• 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
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任务1 电容式传感器基本知识
• 双稳态触发器的Q端翻转为低电平，μC经二极管VD1快速放电，很快由高电平降为低电平，Q端输出为高电平，通过R2对C2充电，当μD> μR时，电压比较器A2的输出为低电平，即S端为低电平，电压比较器 A1的输出为高电平，即双稳态触发器的R为高电平，双稳态触发器的 Q端翻转为高电平，回到初始状态。如此周而复始，就可在双稳态触发器的两输出端各产生一宽度分别受C1、C2调制的脉冲波形，经低通滤波器后输出。当C1=C2时，线路上各点波形如图3-11(a)所示，东 B两点间的平均电压为零。但当C1、C2值不相等时，如C1> C2，则C1 的充电时间大于C2的充电时间，即t1> t2，电压波形如图3-11(b)所示。
的占空比随电容式传感器的电容量变化而变化，再通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 图3 -10为脉冲宽度调制电路。它由电压比较器A1、A2，双稳态触发器及电容充彭电回路组成。其中R1= R2 , VD1、VD2为特性相同的二极管，C1、C2为一组差动电容传感元件，初始电容值相等，μR为比较器A1、A2的参考比较电压。
• 3.运算放大式电路 • 如前所述，极距变化型电容传感器的电容与极距之间的关系为反比关
系，传感器存在原理上的非线性。利用运算放大器的反相比例运算可以使转换电路的输出电压与极距之间关系变为线性关系，从而使整个测试装置的非线性误差得到很大的减小。图3-9所示为电容传感器的运算式转换电路。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 式中，μH为触发器输出的高电平值;t1为电容C1的充电时间;t2为电容 C2的充电时间。设电阻R1=R2，经低通滤波器后，获得的输出电压平均值为
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任务1 电容式传感器基本知识
• 由上式可知，差动电容的变化使充电时间，t1、t2不相等，从而使双稳态触发器输出端的矩形脉冲宽度不等，即占空比不同。
• 图3 -4(a)所示为平面形位移电容传感器。设两个相同极板的长为b，宽为a，极板间距离为d，当动极板移动x后，电容Cx也随之改变。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 电容的相对变化量和灵敏度为
• 图3 -4(b)为圆柱线位移电容传感器。其灵敏度K也为一常数。 • 图3 -4(c)为角位移形式的电容传感器。当动片有一角位移θ时，两极
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任务1 电容式传感器基本知识
• 式中，l0、b0为极板长度和宽度，l为第二种电介质进入极板间的长度。 • 若传感器的极板为两同心圆筒，如图3 -6(b)所示，其液面部分介质为
被测介质，相对介电常数为εx;液面以上部分的介质为空气，相对介电常数近似为1。传感器的总电容C等于上、下部分电容C1和C2的并联，即
• 1.变极距式电容传感器 • 如果两极板的有效作用面积及极板间的介质保持不变，则电容量C随
极距d按非线性关系变化，如图3-2(b)所示。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 设极板2未动时传感器初始电容为后，其电容值Cx为
。当动极板2移动x值
• 式中，d0为两极板距离初始值。由式(3 -2)可知，电容量Cx与x不是线性关系，其灵敏度也不是常数。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 电桥的输出为一调幅值，经放大、相敏检波、滤波后，获得与被测量变化相对应的输出，最后由仪表显示记录。
• 2.调频电路 • 如图3-8所示，把传感器接入调频振荡器的LC谐振网络中，被测量的
变化引起传感器电容的变化，继而导致振荡器谐振频率的变化，振荡器的振荡频率为
• 1.交流电桥 • 这种转换电路是将电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂，
通过电桥把电容的变化转换成电桥输出电压的变化。电桥通常采用由电阻一电容、电感一电容组成的交流电桥，图3 -7所示为电感一电容电桥。变压器的两个二次绕组L1、L2与差动电容传感器的两个电容C1、 C2作为电桥的四个桥臂，由高频稳幅的交流电源为电桥供电。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 式中，L为振荡回路的电感;C为振荡回路的总电容，C=C1+ C2+C0±C。其中，C1为振荡回路固有电容;C2为传感器引线分布电容; 鱿，1 0C为传感器的电容。
• 当被测信号为0时，△C =0，则C =C1+C2+C0,所以振荡器有一个固有频率关ƒ0，
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任务1 电容式传感器基本知识
• 其中， • 灵敏度 • 由此可见，这种传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面h呈线
性关系，只要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 3.1.2电容式传感器的转换电路
• 电容式传感器将被测量的变化转换成电容的变化后，还需由转换电路将电容的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化。测量电路的种类很多，下面介绍常用的几种测量电路。
• 式中， ε为电容极板间介质的介电常数，ε=ε0·εr，其中ε0为真空介电常数， ε0 = 8. 854x10-12F/m; εr为极板间介质相对介电常数;A为两平行板所覆盖的面积;d为两平行板之间的距离。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 当被测参数变化使得式(3 -1)中的A、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，电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介电常数式三种类型。
• 当被测信号不为0时， △C ≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为
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任务1 电容式传感器基本知识
• 频率的变化经过鉴频器转换成电压的变化，经过放大器放大后输出。这种测量电路的灵敏度很高，可测0. 01 μm的位移变化量，抗干扰能力强(加入混频器后更强)，缺点是电缆电容、温度变化的影响很大，输出电压μ0与被测量之间的非线性一般要靠电路加以校正，因此电路比较复杂。
• 这种传感器由于存在原理上的非线性，灵敏度随极距变化而变化，当极距变动量较大时，非线性误差要明显增大。为限制非线性误差，通常是在较小的极距变化范围内工作，以使输入输出特性保持近似的线性关系。一般取极距变化范围△x/d0≤0. 1。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 实际应用的极距变化型传感器常做成差动式(如图3 -3所示)。上下两个极板为固定极板，中间极板为活动极板，当被测量使活动极板移动一个△ x时，由活动极板与两个固定极板所形成的两个平板电容的极距一个减小、一个增大，因此它们的电容量也都发生变化。若△x 《d0，则两个平板电容器的变换量大小相等、符号相反。利用后面的转换电路(如电桥等)可以检出两电容的差值，该差值是单个电容传感器电容变化量的两倍。采用差动工作方式，电容传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到了很大的改善，某些因素(如环境温度变化、电源电压波动等)对测量精度的影响也得到了一定的补偿。
任务1 电容式传感器基本知识
• 该电路为一幅值电路，高频稳幅交流电源提供载波，极距变什的信号 (被测量)为调制信号，输出为调幅波。与其他转换电路相比，运算式电路的原理菊为简单，灵敏度和精度最高。但一般需用“驱动电缆” 技术来消除电缆电容的影响，电路菊为复杂且调整困难。
• 4.脉冲宽度调制电路 • 脉冲宽度调制电路(PWM)是利用传感器的电容充放电使电路输出脉冲
• 当x《d0时
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任务1 电容式传感器基本知识
• 此时Cx与x近似呈线性关系，但量程缩小很多，变极距式电容传感器的灵敏度为
• 由式(3 -4)可见，极距变化型电容传感器的灵敏度与极距的平方成正比，极距越小灵敏度越高。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。
• 1.电容式接近开关 • 如图3-13所示为电容式接近开关的结构示意图。检测极板设置在接近
开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量C非常小，它与电感L构成高品质因数(Q)的LC振荡电路， Q=1/(ωCR)。当被检测物体为地电位的导电体(如与大地有很大分布电容的人体、液体等)时，检测极板对地电容C增大，LC振荡电路的 Q值将下降，导致振荡器停振。
• 5.二极管双T形交流电桥 • 图3-12所示是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源，它
提供幅值为Ui的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管， R1=R2 = R , C1、C2为传感器的两个差动电容。
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任务2 电容式传感器的应用
• 电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。
• 在实际应用中，为了提高测量精度，减少动极板与定极板之间的相对面积变化而引起的测量误差，大都采用差动式结构。图3 -5是改变极板间遮盖面积的差动电容传感器的结构图。上、下两个金属圆筒是定极片，而中间的为动片，当动片向上移动时，与上极片的遮盖面积增大，而与下极片的遮盖面积减小，两者变化的数值相等，方向相反，实现两边的电容成差动变化。
• 2.变面积式电容传感器 • 变面积式电容传感器工作时极距、介质等保持不变，被测量的变化使
其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。
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任务1 电容式传感器基本知识
• 图3 -4所示为几种面积变化型电容传感器的原理示意图。在理想情况下，它们的灵敏度为常数，不存在非线性误差，即输入输出为理想的线性关系。实际上由于电场的边缘效应等因素的影响，仍存在一定的非线性误差。