项目4.2电容传感器

1、传感器与检测技术传感器与检测技术哈尔滨工程大学出版社哈尔滨工程大学出版社项目四项目四 电容式传感器电容式传感器 任务一任务一 电容传感器电容传感器 任务二任务二 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路任务三任务三 电容传感器的应用电容传感器的应用项目四电容式传感器项目四电容式传感器任务四任务四 流量传感器流量传感器任务二任务二 电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路 电容传感器将被测物理量转换为电容变化后，必须采用测电容传感器将被测物理量转换为电容变化后，必须采用测量转换电路将其转换为电压、电流或频率信号。电容传感器转量转换电路将其转换为电压、电流或频率信号。电容传感器转换电路种类很多，主

2、要讲解调频电路、放大器运算电路、二极换电路种类很多，主要讲解调频电路、放大器运算电路、二极管交流电桥、脉冲宽度调制电路四种比较常用的测量转换电路，管交流电桥、脉冲宽度调制电路四种比较常用的测量转换电路，通过实际案例了解调幅式测量转换电路。通过实际案例了解调幅式测量转换电路。 3.2.1 3.2.1 电容式传感器等效电路电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄

3、生电容为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗上一页返 回下一页rC0CPRgL低频等效电路低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略 等效电容Ce=C0+Cp， 等效电阻ReRg 上一页返 回下一页CeRg高频等效电路高频等效电路 电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其中Ce=C0+Cp，而rer 上一页返 回下一页reCeLRCjLjCje11(1) (1) 调频电路调频电路上一页返 回

4、下一页4 4.2.1 .2.1 调频电路调频电路图图4-6调频电路框图调频电路框图 调频测量电路是将电容传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，由于振荡器的频率受电容式传感器电容的调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路。 调频振荡器的频率可由下式决定：CLf021式中L0振荡回路的固定电路； C振荡回路的电容。C包括传感器电容Cx、振荡回路中的微调电容C0和传感器电缆分布电容Cc ，即C=Cx+C0+Cc当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，)(21010CCCLfi当被测信号不为零时，c0，此时频率为 ffCCCCLfi001)(21具有较高的灵敏度，可测至0.01m

5、级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 上一页返 回下一页4 4.2.2.2 2 运算放大器运算放大器电路电路图图4-7运算放大器式电路原理图运算放大器式电路原理图 由运算放大器反馈原理可知，当运算放大器输出阻抗Zi且增益A时，其输入电路I=0，因此，输出电压UO与电容传感器的极距成正比，这就从原理上解决了使用变极距型电容传感器输出特性的非线性问题，这是本电路的最大特点。 输出电压UO还与电源电压U和固定电容C有关，因此，该电路要求电源电压必须采取稳压措施，固定电容必须稳定。运算放大器式电路运算放大器式电路 ：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容

6、u0是输出电压信号Ui交流电源电压 上一页返 回下一页运算放大器式电路原理图由运算放大器（虚地）工作原理可知 )/(1)/(10CjuCjuixdACx 又dACuui 0假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi= 因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。 上一页返 回下一页ixixuCCCjuCju)/(1)/(104 4.2.2.3 3 二极管交流电桥二极管交流电桥图图4-8二极管交流电桥原理图二极管交流电桥原理图 图中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、C

7、2为传感器的两个差动电容，初始值C1=C2 。 输出电压U0不仅与电源Ui的频率和幅值有关，而且与电路中两个差动电容的差值有关。如果设置两个差动电容中一个电容量固定不变，就能根据输出电压U0的变化值计算出另一个电容的变化量，从而推算出被测量的变化。故在负载RL上产生的电压为 )(210CCLLIIRRRRU上一页返 回下一页)()()2(212CCTURRRRRRELLL电路的特点电路的特点 : :线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的

8、单组式和差动式电容式传感器 。 上一页返 回下一页4 4.2.2.4 4 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路图图4-8二极管交流电桥原理图二极管交流电桥原理图 脉宽调制电路用于测量差动结构的电容传感器的输出电容。电路由比较器A1，A2，双稳态触发器FF及电容充放电回路组成。UF为参考电压，R1，R2为充电电阻，一般取R1=R2，C1和C2为传感器的差动电容，FF的两个输出端A,B作为该测量电路的输出UAB 脉宽调制型测量电路的主要优点脉宽调制型测量电路的主要优点是具有线性输出特性。是具有线性输出特性。 案例分析案例分析 电容接近开关的核心是以电容极板作为检测端的电容传感器，结构如图4-11a所示

9、。图4-11圆柱形电容接近开关的结构及原理图a)结构示意图 b)调幅式测量转换电路原理图1被测物 2上检测极板 3下检测极板 4充填树脂5测量转换电路板 6塑料外壳 7灵敏度调节电位器RP8动作指示灯 9电缆 UR比较器的基准电压 当当C增大到设定数值后，增大到设定数值后，RC振荡器起振。振荡器的高振荡器起振。振荡器的高频输出电压频输出电压Uo经二极管检波和经二极管检波和低通滤波器，得到正半周的平低通滤波器，得到正半周的平均值。再经直流电压放大电路均值。再经直流电压放大电路放大后，放大后，Uo1与灵敏度调节电与灵敏度调节电位器位器RP设定的基准电压设定的基准电压UR进进行比较。若行比较。若Uo

10、1超过基准电压超过基准电压时时,比较器翻转比较器翻转,输出动作信号输出动作信号(高电平或低电平高电平或低电平)，从而起到，从而起到了检测有无物体靠近的目的。了检测有无物体靠近的目的。 任务三任务三 电容传感器的应用电容传感器的应用 电容传感器的用途很多，从位移、液位、压力和加速度电容传感器的用途很多，从位移、液位、压力和加速度四个方面诠释电容传感器的应用。以电容式油量为例，讲解四个方面诠释电容传感器的应用。以电容式油量为例，讲解了结构、工作原理及闭环控制的工作过程，重点讲解了变介了结构、工作原理及闭环控制的工作过程，重点讲解了变介电常数式电容传感器在液位测量中的应用。电常数式电容传感器在液位测

11、量中的应用。 4 4.3.1 .3.1 电容式位移传感器电容式位移传感器电容式位移传感器特点电容式位移传感器特点 电容式位移传感器是根据被测物体的位移变化转换为电容器电容变化的一种传感器。其突出优点是：结构简单；能实现非接触测量；灵敏度高、分辨力强；动态响应好；能在恶劣条件（高、低温，各种形式的辐射等）下工作。 存在的缺点主要是存在的缺点主要是:输出的非线性和对绝缘电阻要求较高。输出的非线性和对绝缘电阻要求较高。 4 4.3.1 .3.1 电容式位移传感器电容式位移传感器图图4-12 电容式位移传感器应用实例示意图电容式位移传感器应用实例示意图a)a)测振幅测振幅 b)测轴回转精度和轴心偏摆测

12、轴回转精度和轴心偏摆电容式位移传感器应用电容式位移传感器应用 4 4.3.3.2 2 电容式液位传感器电容式液位传感器图图4-13 电容液位计原理图电容液位计原理图 a a）同轴内外金属管式）同轴内外金属管式 b）金属管外套聚四氟乙烯套管）金属管外套聚四氟乙烯套管式式11内圆筒内圆筒 2外圆筒外圆筒 3被测绝缘液体被测绝缘液体 4被测导电液被测导电液体体55聚四氟乙烯套管聚四氟乙烯套管 6顶盖顶盖 电容式位液位感器工作原理电容式位液位感器工作原理 4 4.3.3.2 2 电容式液位传感器电容式液位传感器电容式位液位感器特点电容式位液位感器特点 透过非金属容器壁非接触式测量介质，无需在容器上开孔

13、。 可以捆绑式安装，易于拆卸，亦可固定安装， 分体式安装，结构小巧紧凑。. 基于电容原理当液体上升或下降至传感器的感应面时传感器的内部电容增大 ，导致内部振荡电路开始振荡，从而可判断出液体的有无。 4 4.3.3.2 2 电容式液位传感器电容式液位传感器电容式位液位感器应用电容式位液位感器应用 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，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。之间的电容变大。液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给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

14、，而是给出开关量。当液位到达设定值时，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。它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。 4 4.3.3.3 3 电容式压力传感器电容式压力传感器智能化液位传感器的设定方法十分简单：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，即可发出报警信使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。号和控制信号。设定按钮设定按钮超限指示灯超限指

15、示灯正常工作指示灯正常工作指示灯电源指示灯电源指示灯 4 4.3.3.3 3 电容式压力传感器电容式压力传感器图图4-14 差动电容式差压变送器结构示意图差动电容式差压变送器结构示意图a）结构）结构 b）外观）外观1 1高压侧进气口高压侧进气口 2低压侧进气口低压侧进气口 3过滤片过滤片 4空腔空腔 5波纹隔离膜波纹隔离膜片片 6导压硅油导压硅油 7凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极镀金凹形电极 9弹性平膜片弹性平膜片 10腔腔 11铝合金外壳铝合金外壳 12限位波纹盘限位波纹盘 13悬浮波纹膜片悬浮波纹膜片 14公共参考公共参考端端 1515螺纹压力接头螺纹压力接头 16测量转换电路及

16、显示器盒测量转换电路及显示器盒 17信号电缆信号电缆 4 4.3.3.3 3 电容式压力传感器电容式压力传感器 4 4.3.3.4 4 电容式加速度传感器电容式加速度传感器图4-15 硅微电容加速度传感器结构示意图a）贴片封装外形 b）“三明治”多晶硅多层结构c）加速度测试单元的工作原理1加速度测试单元 2信号处理电路 3衬底 4底层多晶硅（下电极） 5多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极） 在硅衬底上，制造出三在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动个多晶硅电极，组成差动电容电容C C1 1、C C2 2。当它感受到上。当它感受到上下振动时，下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变呈差动

17、变化。与加速度测试单元封化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处装在同一壳体中的信号处理电路将理电路将C C 转换成直流转换成直流输出电压。输出电压。 4 4.3.3.4 4 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。 4 4.3.3.4 4 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅

18、速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部，对驾乘人员起到保护作用。 案例分析案例分析图4-16电容式油量表示意图1油箱 2圆柱形电容器 3伺服电动机 4减速箱 5油量表当油箱中无油时，电容传感器的电容Cx0为最小值。此时应使电桥输出Ubd为零。当油箱中注入油，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Ubd经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后，带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂向c点移动，从而使RP的阻值增大，当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转。当油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动RP的滑动臂移动,使RP阻值减小。当RP阻值达到某一数值时,电

19、桥又达到新的平衡状态，UO=0，于是伺服电动机再次停转,指针停留在与该液位相对应的转角处。该装置采用了闭环零位式测量方法。 任务四任务四 流量传感器流量传感器 流量可分为体积流量和质量流量，也可分为瞬时流量和流量可分为体积流量和质量流量，也可分为瞬时流量和累计流量。流量的检测的方法有三种，分别为速度式、容积累计流量。流量的检测的方法有三种，分别为速度式、容积式和流量式。重点介绍了应用最为广泛的是差压式的各种流式和流量式。重点介绍了应用最为广泛的是差压式的各种流量计及各种节流装置。通过孔板式差压流量计，说明孔板节量计及各种节流装置。通过孔板式差压流量计，说明孔板节流装置结构、功能特点及节流流量计

20、的工作原理。流装置结构、功能特点及节流流量计的工作原理。 4 4. .4 4.1 .1 流体流量基本概念流体流量基本概念流量的定义流量的定义 流体在单位时间内通过某一截面的数量称为流量。用流体的体积数来表示的流量称为体积流量qV。体积流量 qV V=AV ，单位为m3/h或L/s； 用流体的质量数来表示的流量称为质量流量qm。质量流量 qm=AV，单位为t/h或kg/s。体积流量与质量流量的关系是：qV=qm/ 单位时间内的流量统称为瞬时流量q，把瞬时流量对时间t进行积分，求出累计体积或累计质量的总和，称为累积流量q总 4 4. .4 4.1 .1 流体流量基本概念流体流量基本概念流量的检测方

21、法流量的检测方法流量检测方法可以分为三大类，速度式、容积式、质量式。 速度式流量计最多品种最多，但是以平均流速为测量依据，因此测量结果受介质流动条件（如雷诺数、涡流、截面上的流速分布等）、介质物理性质（液体、气体）、介质外部条件（温度、压力等）等诸多影响，这给精确测量带来困难。 质量流量计以测量与物质质量有关的物理效应为基础，分为直接式和推导式两种。 容积式流量计的工作原理比较简单，特点是流体状态对测量结果影响较小，精确度较高。但不适用于高温、高压和脏污介质的流量测量。 4 4. .4 4. .2 2 差压式流量计差压式流量计差压式流量的组成差压式流量的组成 节流装置是安装于管道中产生差压，节

22、流件前后的差压与流量成开方关系。引压导管的作用是取节流装置前后产生的差压，传送给差压变送器。差压变送器能够产生的差压转换为标准电信号（4-20mA）。 4 4. .4 4. .2 2 差压式流量计差压式流量计节流装置类型节流装置类型图图4-194-19流体流经节流孔板时压力和流体流经节流孔板时压力和流速变化情况示意图流速变化情况示意图图图4-18 4-18 节流孔板、喷嘴结构示意图节流孔板、喷嘴结构示意图导压管的配置导压管的配置 4 4. .4 4. .2 2 差压式流量计差压式流量计导压管的配置导压管的配置图图4-204-20导压管配置图导压管配置图a a）测量液体时导压管的标准安装方式）测量液体时导压管的标准安装方式 b）测量气体时导压管的标准安装方式）测量气体时导压管的标准安装方式 4 4. .4 4. .2 2 差压式流量计差压式流量计导压管的配置导压管的配置 案例分析案例分析 流体经过节流孔板时，流束局部收缩，流速加快，压强减小，流体经过节流孔板时，流束局部收缩，流速加快，压强减小，后取压管处的压力小于前取压管处的压力。后取压管处的压力小于前取压管处的压力。