电容式接近开关

d 0
C 2 d 0 s d d s 01 1 d 1 c 0 d C 0 [ 1 d d 0 ( d d 0)2 ( d d 0)3 ....
d 0
d 0
C C 1 C 2 2 C 0 d d 0[1 ( d d 0)2 ( d d 0)4 .......
忽略高次项得
C
2C0
Uo UABTT11TT22U1
T1 ─ C1的充电时间； T2 ─ C2的充电时间； U1 ─ 触发器输出的高电位
由于U1的值是已知的，因此，输出直流电压UAB随T1和 T2而变，亦即随UA和UB的脉冲宽度而变，从而实现了输出 脉冲电压的调宽。当然，必须使参考电位Uf小于U1。由电路 可得出，电容C1和C2的充电时间为:
谐振电路
谐振式电路的原理方框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路（L2，C2 ，Cx）调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器 取得振荡电压。
工作原理: 当电容传感器的电容Cx发生变化时，谐振回路的谐振频率发生变化，相
对于高频振荡器的频率来说是失谐的，这样使得谐振回路两端的电压振幅也 就发生了变化，也就是说，该电路具有将电容Cx的变化转换为谐振回路两 端电压振幅变化的作用，即谐振回路两端将获得一个受电容Cx变化量调制 的调幅波。该调幅波经检波器检波后，再经过放大器放大即可指示出输入量 的大小。
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
4．转速测量
电容传感器转速测量动画演示
5．料位和液位测量
AM90系列电容物位仪
电容料位测量示意图
1－极棒 2－容器壁
液位计
设定按钮
聚四氟乙烯外套
电容式油量表原理图
两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的 介电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同，比如：ε1>ε2，则当 液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量 增大。反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小 。
3．变介电常数电容式传感器 变介电常数电容式传感器原理动画演示
常用材料的介电常数
经推导可知变介电常数式电容传感器其电容 与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式 表示：
Cx ABx
其中A、B均为与结构和介质有关的常数
三种电容式传感器比较表
二、测量转换电路
电容式传感器
测量电路
1.运算放大器电路
•
• U d Uo
2 d0
（其 C x1中 d0 A d， C x2d0 A d）
优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。
缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波 后，才能辨别位移方向。
3.调频电路
电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量 使电容量发生变化后，就使振荡器的振荡频率发生变化，频 率的变化在鉴频器中变换为振幅的变化，经过放大后就可以 用仪表指示或用记录仪器记录下来。
k不是常数,且与d
2
0
成反比。极距越小灵敏度越高，
但非线性误差会越大。实际应用中为提高灵敏度和扩
大线性范围，多采用差动式电容传感器。
差动结构
C 1 d 0 s d d s 01 1 d 1 c 0d C 0 [ 1 d d 0 ( d d 0)2 ( d d 0)3 ....
d 0
电容传感器的理想公式为
C A 0r A
dd
d ——极板间距离； A ——极板面积； ε——电容极板间介质的介电常数。
改变d、A、 三个参量中的任意一个量，均可使
平板电容的电容量C 改变。 固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电
容传感器。
声传感器应用模型
几种不同电容式传感器的原理结构图
1．变极距式电容传感器
d d0
则灵敏度系数
kC2C0
d
d0
2s
d02
结论：
①差动结构可使传感器灵敏度提高一倍。
②减小了非线性误差。
③能够更好地克服温度等外界共模信号干扰。
2．变面积式电容式传感器
x θ
S
C
0
d
S (1 q / p )
C
C (1 q / p )
x
dபைடு நூலகம்
0
a)
动极板有角位移时，与定极板的有效面积变化， 变面积式电容传感器的输出特性是线性的，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。
三、电容式传感器的应用 1．压力测量
电容式压力传感器结构图
2．声音信号测量
驻极体电容传声器
它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特 殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声 器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能 优越、使用方便。
电子线 路位置
高压侧 进气口
低压侧 进气口
c
A dg d0
0 g 0
3、边缘效应
电容器两极板的电场分布在中心部分是均匀的，但到了边 缘部分是不均匀的，因此边缘效应使设计计算复杂化、产生非 线性以及降低传感器的灵敏度。消除和减小边缘效应的方法是 在结构上增设防护电极，防护电极必须与被防护电极取相同的 电位，如图所示，这样可以使工作极板全部面积处于均匀电场 的范围。
1、原理框图
2、电路原理
3、注意事项
1）C4093为CMOS集成电路，很容易被电烙铁所带 的静电击穿，所以在制作时，最好先焊一个集成电路插 座，待电路经检查无误后再把CD4093插入插座。
2）电容C4是灵敏度调节电容，若需要该电路以最大灵 敏度工作时，可以先调节C4使继电器刚好吸合，再调 节C4使继电器刚好断开，然后用高频蜡或绝缘漆把C4 封牢即可。
调频接收系统可以分为直放式调频和外差式调频两种类 型。外差式调频线路比较复杂，但选择性高，特性稳定，抗 干扰性能优于直放式调频。
3. 调频电路
f 1
2p L0Cx
用调频系统作为电容传感器的测量电路主要具有以下特点： •（1）抗外来干扰能力强； •（2）特性稳定； •（3）能取得高电平的直流信号（伏特数量级）； •（4）因为是频率输出，易于同数字仪器和计算机接口。
应该说明的是，增设防护电 极虽然有效地抑制了边缘效 应，但也增加了加工工艺难 度。另外，为了保持防护电 极与被防护电极的等电位， 一般尽量使二者同为地电位。
4、寄生电容的影响
电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物 体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这 种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电 容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定， 从而导致传感器特性的不稳定。
广东机电职业技术学院------传感器应用技术
项目二:电容式接近开关的设计制作
技能训练目标要求: 1、掌握电容传感器的结构原理； 2、学会电容接近开关的设计方法与应用电路； 3、进一步掌握锡焊技巧和电路调试方法； 4、了解电容式传感器的应用情况； 5、锻炼同学们的敬业精神和团队意识。
一、工作原理及结构形式
电容C1和C2的充电时间为:
T1 R1C1lnU1U1Uf
T2
R2C2
ln U1 U1 Uf
电阻R1=R2=R， 综合以上三式:
Uo UABC C11C C22U1
上式说明，直流输出电压正比于电容C1与C2的差值，其 极性可正可负。
说明: (1)利用平行板电容公式，在变间隙的情况下可得:
Uo UABdd22 dd11U1
1、寄生电容存在对传感器的影响 2、克服寄生电容：静电屏蔽
使传感器的电容量发生改变
导致传感器特性不稳定，并 产生干扰
五、电容式接近开关设计 被测物体 感应电极
振荡电路
测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物 体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使 得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.由此便可控制开 关的接通和关断;接近开关的检测物体，并不限于金属导体， 也可以是绝缘的液体或粉状物体。
为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的一
边，即最大振幅Um 的70%附近地方，如图所示，且工作范围尽量选 在接近线性的BC段内。 这种电路的特点是比较灵敏，但缺点是：
•（1）工作点不容易选好，变化范围也较窄；
•（2）传感器与谐振回路要离得比较近，否则电缆的杂散电容对电路的
•
影响较大；
选用温度膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料。例如电极的支架选用陶 瓷材料要比塑料或有机玻璃好；电极材料以选用铁镍合金为好；近年来采 用在陶瓷或石英上喷镀一层金属薄膜来代替电极，效果更好。减小温度误 差的另一常用措施是采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。
2、电容静电击穿
电容传感器虽然有许多独具的优点，但由于它的工作原 理、结构特点而使它也存在一些缺点，在实际使用时需采取 相应的技术措施来改善。
电容式差压变送器外形图
内部 不锈 钢膜 片的 位置
结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)、能测 微小压差(0～0.75Pa)。它是由两个玻璃圆盘和一个金属 (不锈钢)膜片组成。
两玻璃圆盘上各镀以金作为
电容式传感器的两个固定极板， 而夹在两凹圆盘中的膜片则为 传感器的可动电极，则形成传 感器的两个差动电容C1、C2。 当两边压力p1、p2相等时， 膜片处在中间位置与左、右固 定电容间距相等，因此两个电 容相等；当p1＞p2时，膜片 弯向p2，那么两个差动电容一 个增大、一个减小，且变化量 大小相同；当压差反向时，差 动电容变化量也反向。
A C0 d0
Cx
A d0
x
变极距式电容传感器原理动画演示
结构示意图
1－定极板 2－动极板
电容量与极板距离的关系
变极距式电容传感器结构及特性曲线
C
s1 d02
d
C C
则灵敏度系数
k
c d
s
1 d02
C 1C 1
C 2C 2
OO
d 1d 1 d 2 d 2
d
问题：△d是越小好还是大好呢？
电容式差压传感器原理结构
利用电容差压变送器测量液体的液位
施加在高压侧腔体内的 压力与液位成正比：
p = g h
差压变送器
家用电器压力检测示意图
3．加速度测量 电容传感器加速度测量动画演示
硅微加工电容加速度传感器
加速度传感器在汽车中的应用
装有传感器 的假人
气囊
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 。
•（3）为了提高测量精度，振荡器的频率要求具有很高的稳定性。
.
电容传感器的谐振电路
4. 脉冲宽度调制电路
经分析推导得：
U0＝C C11－ ＋C C22U1＝ CC 0 U1
由图可见A，B两点平均电压值UAB为零。但是，差动电 容C1和C2值不相等时，如C1＞C2，则C1和C2充放电时间
常数就发生改变，这时电路中各点的电压波形如图（b）所 示，由图可见，A，B两点平均电压值不再为零。当矩形电 压波通过低通滤波器后，可得出直流分量:
思考题
1、试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容 的灵敏度?为了提高传感器的灵敏度可采取什么 措施并应注意什么问题? 2、为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性 的?采取什么措施可改善其非线性特征?
Uo
S S U1
由此可见，对于差动脉冲调宽电路，不论是改变平板电 容器的极板面积或是极板距离，其变化量与输出量都成线性 关系。
公式与变压器电桥形式相同，但变压器电桥输 出的是交流电，而脉冲调宽电路输出的是直流电。 脉冲调宽电路具有以下五方面的特点： ①消除了非线性； ②不需要相敏检波即能获得较大的直流输出； ③电路只采用直流电源，不需要频率发生器； ④频率对输出无影响； ⑤对输出矩形波纯度要求不高。
6．其它测量 电容指纹识别动画演示
四、电容式传感器实际使用问题
1、温度对结构尺寸的影响
由于构成传感器的材料不同，所以线膨胀系数不同。
温度t变化
C的几何形状变化
电容量变化
C=C0+△CP+△Ct
△Ct 决定传感器温度误差的大小。
环境温度变化产生附加的电容增量
被测信号作用下电容量的增量
传感器的初始电容量
式中d1，d2 ─ 分别为C1，C2电极极板间的距离。 当差动电容C1=C2=C0时，即d1=d2=d0时，Uo=0。当差动 电容C1≠C2，设C1＞C2，即d1= d0－△d，d2= d0＋△d， 则式
d Uo d0 U1
(2)在变面积的情况下有
Uo
UA
BSS11
S2 S2
U1
式中S1，S2─—分别为C1，C2电极极板面积。
电压或频率信号
2. 变压器电桥电路
Cx1 C0 C Cx2 C0 C
•
•
•
•
•
U
U o U Cx2 2
＝U
Z Z Cx1
Cx2
ZCx2
U 2
•
•
•
U
1 U ＝U Cx1 Cx2
11
jCx2 2 2 Cx1 Cx2
jCx1 jCx2
可得：
•
•
U
o
U
C
2 C0
对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：