电容式接近开关..

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。
1 c0 d d 2 d 3 C0 [1 ( ) ( ) ........] d d 0 1 d d d d 0 0 0 1 d0 d0
s
C2
s
d 0 d

s
d d 2 d 4 C C1 C 2 2C0 [1 ( ) ( ) .......] d0 d0 d0
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； •（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。
使传感器的电容量发生改变
1、寄生电容存在对传感器的影响
导致传感器特性不稳定，并 产生干扰
2、克服寄生电容：静电屏蔽
五、电容式接近开关设计
U o U AB
d 2 d1 U1 d 2 d1
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 U1 d0
(2)在变面积的情况下有
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。
忽略高次项得
d C 2C 0 d0
C0 C 2s k 2 2 d d0 d0
则灵敏度系数
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
C
C
θ
0


S
d
S (1 q / p )
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 。
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。
c
A dg
0 g

0
d0
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。
源自文库
C x A Bx
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 类型 应用场合 变间隙 线位移 非线性关 系。灵敏 度也不是 常数。 变面积 变介电常数
角位移或较 物位、湿度、 大线位移 密度
是否线性
线性关系
线性关系
二、测量转换电路
电容式传感器 测量电路 电压或频率信号
1.运算放大器电路
低压侧 进气口 电子线 路位置 内部 不锈 钢膜 片的 位置 电容式差压变送器外形图
高压侧 进气口
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。
C0 Cx
A
d0
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 s
则灵敏度系数
1 d02
d
C C
c k s d
2
C1 C1
1 d02
C 2 C
2
OO
d 1d d 2 d
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。
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。
2. 变压器电桥电路
C x1 C0 C C x 2 C0 C
U U U ZC U o U Cx 2 ＝ ZC ZC 2 2
x2 x1 x2






U 1 1 jC x1 jC x 2

1 U U C x1 C x 2 ＝ 2 C x1 C x 2 jC x 2 2
C
d ——极板间距离； A ——极板面积； ε——电容极板间介质的介电常数。
A
d

0 r A
d
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
.
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：
C1－C2 C U 0＝ U1＝ U1 C1＋C2 C0
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:
电容C1和C2的充电时间为:
U1 T1 R1C1 ln U1 U f
U1 T2 R2 C2 ln U1 U f
电阻R1=R2=R， 综合以上三式:
U o U AB
C1 C2 U1 C1 C2
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:
d
x
C (1 q / p ) 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。
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：
U o U AB
S1 S 2 U1 S1 S 2
式中S1，S2─—分别为C1，C2电极极板面积。
S Uo U1 S
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；


可得：
U C Uo 2 C0


对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：
U d A A （其中Cx1 ，Cx 2 ） Uo d 0 d d 0 d 2 d0


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。
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
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=C0+△CP+△Ct C的几何形状变化 电容量变化
△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
1
2
d
问题：△d是越小好还是大好呢？ k不是常数,且与d 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
C1
s
d 0 d

1 c0 d d 2 d 3 C0 [1 ( ) ( ) ........] d d 0 1 d d d d 0 0 0 1 d0 d0
U o U AB
T1 T2 U1 T1 T2
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:
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 。
干扰性能优于直放式调频。
3. 调频电路
1 f 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。
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。
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 电容传感器的理想公式为