纳米级超高精度电容式传感器

 

AS-9000 纳米级超高精度电容式传感器 高分辨率：纳米级 响应频率：5KHz   特性： 　　AS-9000是具有超高精度、稳定性、重复性和分辨率的电容式传感器。其反应速度快，噪声干扰小，是检测转轴、磁盘、轮胎及晶圆的理想选择。 AS-9000价格经济、功能超强！ AS-9000能对极难检测的微小物体进行检测，且检测能力好上40倍。 AS-9000具备纳米分辨率,他重量轻、体积小、可随身携带，操作快速简便。   其它重要特性： ■探头感应输出1uin/mV ■较大间隙距离安全检测 ■非接触良好检测性能 ■被动式电容探头具有特别的温度稳定性 ■准时、在线检测至5kHz AS-9000能与所有规格的探头配合使用。单信道模式适合简单的位移及震动检测，双信道模式适合厚度及精度要求较高的检测。 两种模式都能快速、简洁的提供仿真/数字系统、探头位移曲线图显示器、位置偏移/校正系统]自动电源开关。双信道模式还能提供总数值输出或不同数值输出。 应用范围： AS-9000适于半导体、磁盘驱动器、机械用具、电子工业 ●位移、●厚度、●同轴度、●振动、●尺寸大小、●平坦度、 ●内外径、●发动机动能 放大器规格： 直线性： +/-0.05% (10% ～ 100% 满量程或更好)；+/-0.1% （10% ～120%满量程或更好） 信号输出： BNC接口输出0～10Vdc的电压信号 补偿范围： 允许-10V～0Vdc的标准信号输出 输出电压稳定性： 0.002%满量程或更小； 尺寸： 长：9.5in(24cm) 宽：6.25in(16cm) 高：2.0in(5cm) 重：4lb(1.8 kg) 响应频率： 标准值500 Hz,更换滤波器可达10Hz,1kHz,2kHz及5kHz等 温度稳定性（30分钟暖机）： 16～35℃时，漂移小于+/-0.1%满量程； 4～40℃时，漂移小于+/-0.1%满量程 电源： 85～265VAC, 47～440Hz 条形图感度： 1 bar/V 求和/求差值输出：标准为-（A+B）/2 ； 通过跳线设置可选择（A+B），（A-B），-（A+B）和（A+B）/2             电容式传感器 电容式传感器 capacitive type transducer 　　把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA／δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。     标准探头规格：(单位：mm)   量程（mm） 感测直径 型号 长度 ±0.762 探头直径 ±0.0254 型号 长度 ±0.762 探头直径 ±0.0254 0.0254 0.0508 0.127 0.254 0.508 1.270 1.0693 1.5392 2.4689 3.5204 5.0038 7.9553 ASP-1-CTA ASP-2-CTA ASP-5-CTA ASP-10-CTA ASP-20-CTA ASP-50-CTA 63.5 63.5 63.5 63.5 63.5 63.5 0.250 0.250 0.250 0.250 0.437 0.625 ASP-1-ILA ASP-2-ILA ASP-5-ILA ASP-10-ILA ASP-20-ILA ASP-50-ILA 9.525 9.525 9.525 9.525 9.525 9.525 2.3622 2.8448 3.9624 5.5626 7.9248 13.8684 量程（mm） 感测直径 型号 长度 ±0.762 探头直径 ±0.0254 型号 长度 ±0.762 探头直径 ±0.0254 0.0254 0.0508 0.127 0.254 0.508 1.270 1.0693 1.5392 2.4689 3.5204 5.0038 7.9553 ASP-1-ILR ASP-2-ILR ASP-5-ILR ASP-10-ILR ASP-20-ILR ASP-50-ILR 9.525 9.525 9.525 9.525 9.525 9.525 2.3622 2.8448 3.9624 5.5626 7.9248 13.8684 ASP-1-PCR ASP-2-PCR ASP-5-PCR ASP-10-PCR ASP-20-PCR ASP-50-PCR 2.54 2.54 2.54 2.54 2.54 2.54 2.3622 2.8448 3.9624 5.5626 7.9248 13.8684   温度范围： 标准探头： -129℃～204℃ 高温探头： -129℃～760℃ 精度： +/-0.1% 满量程 电缆长度： 标准电缆长度为2.7米，可以定制其他规格 压力范围： 标准-200psig 高压-20000psig 附：电容位移传感器的分辨率（resolution）计算方法 感度（sensitivity）=量程（range）/10V(full scale voltage) 噪音=1mv*开更号（Fr/500)(Fr为所选择的滤波器频率 ) 分辨率(resolution)=感度（sensitivity）×噪音(noise) 注意：Fr的选择要稍大于被测物实际振动频率 滤波器频率(Frequency Response filter) 噪音(Noise in mVp-p) 10HZ 0.150mv 50HZ 0.316mv 100HZ 0.447mv 500HZ 1.000mv 1KHZ 1.400mv 2KHZ 2.000mv 5KHZ 3.200mv 10KHZ 4.500mv 20KHZ 6.300mv         电容式传感器应用实例 中国流体处理网 www.liutiw.com 06-12-01 字体:[大 中 小] QT芯片出现在一系列具有挑战性的应用中，如微波炉和炉灶面控制。它在这些应用中必须承受很高的湿度、污染挑战。而便携式电子产品也经常面对这种情况，它们所处的环境经常变化，因此QT传感器也非常适合这种应用。QT传感器在干扰下的高电阻对于移动设备来说至关重要，因为它们附近经常有很强的辐射源，如：PC、手机等。 因为这个原因，QT芯片越来越多地在便携式设备中出现。很多领先的亚洲OEM厂商都采用了这种技术，包括DEC、JWDigital、松下和 Microstar。例如，在JWM-8110闪存播放器中就采用了QT1080，而Microstar在其MegaPlayer536MP3播放器中采用了QT1101。这些芯片可以工作在2.8～5.5V电源电压下，吸收的电流大约为40μA，专门针对移动电子产品进行了优化，采用了5mm×5mm× 0.8mmQFN封装，这种封装是空间有限的手机和遥控设备所必需的。 QT1080支持8个独立的按键通道，QT1101支持10个通道。两个芯片都包括邻近按键抑制(AKSTM)功能，可以确保芯片正确地识别手指的位置。这个概念很简单，通过比较邻近按键的信号电平来确定最大值，这样就能确定"真正的"手指位置。设计者可以自行选择是否启用AKS功能。QT1080利用一个硬件状态线连接每个输入通道，而QT1101通过一个串行连接输出。像所有的QT芯片一样，这两种方法都利用扩谱搜索自动校准，使噪声抑制最大化。 一般可用多输入通道实现滑动按键或旋转按键，而专用的QT系列芯片只用三个分辨率为7位(128点)的通道就能实现高分辨率线性滑动或旋转界面。例如QT511(该芯片的主要目标应用也是便携式电子产品)使用三个感应通道来驱动通用电气公司的一位发明家于1978年设计的电极图形，可返回一个128点的结果。 很多设计师都利用QT芯片来替代电阻式触摸屏。因为该方法只需要将单透明层铺设在屏幕上用于感测，与多层电阻式技术相比，对光线的吸收大大降低。OEM厂家还使用多通道传感器来实现可编程的不透明触摸表面，面板的配置由软件来调配，这能帮助降低材料成本。同样的办法还为用户依据个人喜好配置触摸屏提供了可能，用户可从网络服务器下载规格，或者自己运行一个配置程序。 这种技术打开了很多应用之门，例如使用了平面位置检测QT器件，终端用户在移动电话的数字键盘上移动就可以输入中文或其他复杂字符。但是这种技术的最大应用是平面坐标触摸屏，在这种应用中，下表面感测薄膜可以替代电阻式屏，而单层薄膜获得高透明度和低成本，不需要在前面板中开孔。 如果现有的QT硬件不能满足客户的需求，用户可选用带有可编程MCU内核的芯片。定制应用实例包括Jenn-AirAttrezzi食品搅拌机，QT芯片在这个设备中负责监测用户的输入，并控制功率三端双向可控硅开关，通过一个过零同步开关来使EMC问题最小化。 第四节电容式传感器的应用 　　电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百微米、精度可达0.01m、分辨率可达0.001m。变面积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.01～0.001m。电容式角度和角位移传感器的动态范围为 至几十度，分辨率约0.1″，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。电容式测振幅传感器可测峰值为0～50m、频率为10～2kHz，灵敏度高于0.01m，非线性误差小于0.05m。 　　电容式传感器还可用来测量压力、压差、液位、料面、成分含量(如油、粮食中的含水量)、非金属材料的涂层、油膜等的厚度，测量电介质的湿度、密度、厚度等等，在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。差动电容式压力传感器测量范围可达50MPa，精度为±0.25%～±0.5%。电容式传感器厚度测量范围为几百微米，分辨率可达0.01m。电容式接近开关不仅能检测金属，而且能检测塑料、木材、纸、液体等其它电介质，但目前还不能达到超小型，其动作距离约为10～20mm。静电电容式电平开关是广泛用于检测储存在油罐、料斗等容器中各种物体位置的一种成熟产品。当电容式传感器测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单边式变极距型，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。这类传感器属非接触测量，动态范围比较小，约为十分之几毫米左右，测量精度超过0.1m，分辨率为0.01～0.001m。 一、电容式位移传感器 　　图4-14为圆筒式变面积型的差动电容位移传感器结构图。它的固定极筒10、11与壳体绝缘，可动极筒4与测杆1固定在一起并彼此绝缘。当被测物体位移使测杆1轴向移动时，可动极筒4与固定极筒10、11的覆盖面积随之改变，使电容量一个变大、另一个变小，它们的差值正比于位移。开槽弹簧片3、5为传感器的导向与支承，无机械摩擦，灵敏性好，但行程小。测力弹簧8保证可动极筒4通过测杆1与被测物可靠接触，其测力可用调力螺钉7调节。电容极筒都由引线9接至插座6，以供接入电路用。膜片2作密封用，防止尘土进入传感器内。 　　图4-15是一种单电极的电容式振动位移传感器。它的平面测端电极1是电容器的一极，通过电极座5由引线接入电路，另一极是被测物表面。金属壳体3与测端电极1之间有绝缘衬套2使彼此绝缘。使用时壳体3为夹持部分，传感器通过螺母7被夹持在标准台架或其它支承上。壳体3接大地可起屏蔽作用。这种传感器可测的振动位移，还可测量转轴的回转精度和轴心动态偏摆，它们的应用如图4-16所示。 二. 电容式加速度传感器 　　电容式加速度传感器的结构示意图如图4-17所示。质量块4由两根簧片3支承置于壳体2内，弹簧较硬使系统的固有频率较高，因此构成惯性式加速度计的工作状态。当测量垂直方向上的直线加速度时，传感器壳体固定在被测振动体上，振动体的振动使壳体相对质量块运动，因而与壳体2固定在一起的两固定极板1、5相对质量块4运动，致使上固定极板5与质量块4的A面(磨平抛光)组成的电容Cx1以及下固定极板1与质量块4的B面(磨平抛光)组成的电容Cx2随之改变，一个增大，一个减小，它们的差值正比于被测加速度。固定极板靠绝缘体6与壳体绝缘。由于采用空气阻尼，气体粘度的温度系数比液体的小得多，因此这种加速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度。 三、电容式差压传感器 　　图4-18是电容式差压传感器结构示意图。这种传感器结构简单、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。两玻璃圆盘上的凹面深约25?m，其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。这种差压传感器也可以用来测量真空或微小绝对压力，此时只要把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。 　 图4-18 电容式差压传感器原理结构 :::::::Back   电容式传感器工作原理      电容式传感器的感应由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串联在RC振荡回路内。      电源接通时，RC振荡器不振荡，当一个目标朝着电容器的电极靠近时，电容器的容量增加，使振荡器开始振荡，通过后级电路的处理，将停振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电系数越大，可获得的动作距离越大。      当一个目标靠近时，电容式传感器的电流消耗随之增加。

摘　要：介绍电容式传感器特性实验原理及测量方法，利用PowerPoint制作了一套多媒体教学课件，重点放在实验过程的数字图像采集和处理制作上，其间穿插具有中南民族大学特色的精美图片、音像片段，让学生在紧张的学习过程中张弛有度。 　　关键词：电容式传感器；特性实验；PowerPoint；多媒体课件；民族特色 　　1　引言 　　在现代信息社会中，从宇宙探索，到海洋开发；从生产过程控制，到现代文明生活，几乎都离不开传感器技术。传感器技术特别是在自动检测、自动控制、遥感遥测等领域中起着决定性作用。CSY系列传感器系统实验是电信、通信、生物医学工程及相关专业的一门基础课，该实验是强化理论学习、训练实际操作技能的重要手段。在传感器系统实验教学中，因CSY系列传感器系统实验是综合提高性实验，装置复杂、仪器昂贵、器件易损、学生预习时不能面对实验设备，只读实验教材难以达到较好的预习效果。随着招生规模逐年扩大，本实验教学任务随之加重。为了加强学生的预习效果，提高教师的工作效率，保证教学质量，我们设计开发了一套多媒体教学课件，该课件除了实验目的、原理及实验流程介绍外，重点放在实验操作的录像介绍上，录像与实验前老师的讲解完全相同甚至更加详细。 　　学生利用课件在电脑上自主学习，如在实验现场学习一样，而在丰富的交互功能和多彩的动画效果间穿插了具有中南民族大学特色的精美图片、音像片段，有效地激发了学生的学习兴趣，并对中华五十优个民族有更多的了解。随着预习效果提高，教师实验课前讲解工作减少，因 而提高了实验教学质量。 　　2　电容式传感器特性实验 　　2．1　电容式传感器工作原理 　　电容式传感器有多种形式，本实验中是差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化即成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为Cx 1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cx 1和Cx 2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。 　　2．2　测量方法 　　本实验选用CSY10A型传感器系统实验仪。所用部件为以下几种：   　（1）电容式传感器 　　由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围≥3 mm。   　（2）电容变换器   　 由高频振荡、放大和双T电桥组成。   　（3）差动放大器 　　增益可调比例直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1～100倍。   　（4）低通滤波器 　　由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。 　　（5）低频振荡器 　　1～30 Hz输出连续可调，Vp－p值20 V，最大输出电流0．5 A，Vi端插口可提供用作电流放大器。Vi端3．5 mm耳机插座静合接点的正常接触是保证让低频输出的条件，无低频信号输出时则可能是静合接点分开，如遇此种情况请打开面板，调节Vi插口静合接点使之接触良好。 　　（6）测微仪 　　由螺旋测微仪组成，测量范围0～25 mm。测量时按图1接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。          装上测微仪，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为0。以此为起点，向上和向下移动动片，每次0．5 mm，直至动片与一组静片全部重合为止。记录数据，并做出V-X曲线，求得灵敏度S＝ΔV／ΔX。          低频振荡器输出接“激振I”一端，“激振I”另一端接地。移开测微头，调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。 　　 注意： 　　（1）电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍微调整。位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。 　　（2）如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。 　　（3）由于悬臂梁弹性恢复滞后，虽然测微仪回到开始刻度，但差放输出电压并不回0，此时可反向旋动测微仪，使输出电压过零后再回到初始位置，反复几次，差放电压即到0，然后进行负方向实验。 　　测量结果如图2所示。          2.3　V-X曲线 　　V-X曲线如图3所示。

电容式传感器的工作原理

电容式传感器的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。
电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。

 

 

电容式传感器
capacitive type transducer

   把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图[平板电容器] ）。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为[134-60] A／δ，式中[134-60] 为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离 δ、A、[134-60] 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。

 

第5章 电容式传感器

主要内容：

5.1电容传感器工作原理和类型

5.2电容传感器输出特性

5.3电容传感器测量电路

5.4电容式传感器的应用举例

要求：了解电容式传感器的结构及工作原理、测量电路、应用方法。

概述：

电容式传感器的应用技术近几十年来有了较大的进展，由于电容测微技术的不断完善，作为高精度非接触式测量手段，广泛应用于科研和生产加工过程。一般产品有测微仪器。

过去，电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现在还逐渐扩大应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：

·                               小功率、高阻抗。电容器密度很小，一般在几十~几百微法，具有高输出阻抗。

·                               静电引力小（极板间），工作所需作用力很小。

·                               可动质量小，具有较高的固有频率，所以动态响应特性好。

·                               本身发热影响小。

·                               可进行非接触测量。

 

5.1 工作原理和类型

电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容式传感器的基本原理可以用 平板电容器说明：

根据这一性质，电容器C可以通过改变 （极板面积）称变面积型传感器（较大范围测线，角位移）；图5—1 平板电容结构

改变 （极板距离）称变极距型传感器（测小位移）；

改变 （极板介质）称变介质型传感器（测液面高度，料位）。

5.2 输出特性

·                               变极距型（ ）

初始电容

图5—2 变极距型电容传感器工作原理

 

由上式可知C— 是反比非线性关系。所以这种传感器被限制在一个较小的 范围内变化才能近似线性。当 减小 时电容C增加 , ， 。

 

 

电容相对变化

图5—3变极距型电容传感器输出特性

当 时，用泰勒级数展开。

对上式作线性处理（忽略高次项） 才能近似线性。

定义灵敏度： （单位位移引起的输出电容相对变化量）

讨论：

·                               要提高传感器灵敏度K应减小初始极距 。但极间受电容击穿电压限制，非线性随相对的位移 的增加而增加，为保证线行度应限制相对位移。

·                               起始极距 与K、 相矛盾。适合测小位移。

·                               为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构（一个动片，两个定片）当一个电容量增加时（ ↗）另一个电容量减小（ ↘）。

差动式输出特性

差动式两电容的特征方程式为：

电容的总的变化量图5—4 差动式变极距型电容传感器结构

 

； ；

电容的相对变化量为：

忽略高次项

传感器（差动式）灵敏度：

相对非线性误差为：

结论：

·                               差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，非线性误差减小（多乘 因子）。

·                               变面积型（S）

平板电容的初始电容：

当动极板移动ΔX后，两极板间的电容量变为：

 

图5—5平板电容工作原理

平板变面积式传感器灵敏度：

（常数）

结论：

·                               变面积式电容传感器输出特性为线性，适合测量大位移。灵敏度K为常

数, 。

·                               变介电常数式（ ）

当某种介质在两固定极板之间运动时，

电容量与介质参数之间的关系为：

分几种情况（及）。

图5—6 变介电常数式电容传感器原理

·                               测介电常数 ：d为运动（被测）介质的厚度，当介质厚度d保持不变，而 改变时，电容增加ΔC产生的电容相对变化。ε0为真空介电常数。

初始电容；

介质变化后；

o                                                      因此利用这种原理可作为介电常数 的测试仪器。

·                               测厚度d：如果 保持不变，而d改变，可作为测厚仪器。

o                                                      若 、 一定，可作为测厚仪器。

·                               测液位高度测量（根据液体容器的形状计算）：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5—7测液位高度

 

 

 

5.3 测量电路

电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压。

5.3.1电容传感器的等效电路

 

图5—7电容传感器的分布电容图5—8电容传感器等效电路

 

电容传感器的等效电路包括：

传输线的电感L0；

电阻R（小）；

传感器电容C0；

A、B两端分布电容Cp；

极板等效漏电阻Rg。

容抗：

低频时 大， L、R可忽略
，高频时 小， L，R不可忽略，工作频率10M以上要考

虑电缆L的影响。相当于一个串联谐振，有一个谐振频率 ，当工作频率f f0谐振频率

时，串联谐振阻抗最小，有破坏作用不能正常工作，分布电容 常常比传感器电容

还大，为克服分布电容 影,常采用双层屏蔽等位传输技术，又叫“驱动电缆技术”。为

提高电容传感器的稳定性，克服寄生电容耦合（不稳定值），应采取屏蔽措施。

 

①将电容转换元件（传）置于金属屏蔽罩外壳接地，引出线用屏蔽线，屏蔽网接地，可消除外静电场和交变磁场。

②电容转换元件本身电容量很小（一般几十个皮法），引出线屏蔽后屏蔽线电缆的电容量大（每米可达几百皮法），该电容与传感器电容并联后使电容的相对变化量大大降低，使灵敏度降低。

 

消除方法：

一是将转换元件（传）二测量电路前级紧靠转换元件。最好全部电路装在传感器

壳体内。（避免信号由长电缆传输）

另一种方法：

“双层屏蔽等电位传输”技术（驱动电缆技术）。

 

·                               原理是：连接电缆采用双层屏蔽。内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。由驱动电缆放大供给，从而消除引线与内屏蔽之间的电容。实际是一种等电位屏蔽法，放大器1：1（跟随器），使传输电缆与内屏蔽层等电位，消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电，从而消除寄生电容的影响。

图5—9 驱动电缆技术电路原理

 

·                               此时，内外屏蔽之间的电容成了驱动放大器的负载，因此，驱动放大器是一个高输入阻抗，具有容性负载，放大倍数为A：1的同相放大器屏蔽线上有随传感器信号变化的电压。所以称“驱动电缆”。这种技术使传输电缆在10M距离不影响传感器性能，外屏蔽接大地，保证传感器电容值小于1PF时也能正常工作。

 

 

 

 

 

 

 

 

图5—10是一运算放大器屏蔽电路原理框图

 

5.3.2电桥电路

（1）交流电桥：由电容转换元件组成的交流电桥测量系统。单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容 相匹配。差动式传感器两个臂 ，极板中间位置时 ，变压器式交流电桥，负载无穿大时 。

电桥输出：

代入上式得：

其中：

，

图5—11交流电桥

输出电压与输入位移成理想线性关系:

（2）二极管双T型电路

二极管双T型电路如图5-12所示， 为高频对称方波电源。 是特性相同的二极管， 是传感器两差动电容，R固定电阻， 为负载。

电路工作原理分析：

设二极管正向电阻为零，反向电阻无穿大，

E为正半周时， 导通， 截止；

充电→E，

E为负半周时， 截止， 导通，

充电→E， 图5—12二极管双T型电路

 

，当电路接通瞬间

设 充电，

当 时，进入负半周

，同时 放电，图5—13 E为负半周时

上电压，上正下负；

当 时， 充电， 放电

上电压，下正上负

当 = 时， = ，

当 时， ，图5—14 E为负半周时

一个周期内 上的平均值电压为：

结果：

负载上输出电压 与电源电压 幅值、电源频率 有关，与电容的差值成正比。图5—15二极管双T型电路波形

 

（3）差动脉冲调宽电路

组成： 比较器，双稳态触发器、VD1、VD2与电阻组成充放电回路，电容 、 为传感器差动电容， 参考直流电压，双稳态两个输出端 作输出。

·                               设电源接通时 ， 高，

低， 通过 时 充电，图5—16差动脉冲调宽电路

时比较器 输出极性改变，

触发器翻转， 点变低， 点变高， 导通， 放电 0；

·                               同时 点变高，经 向 充电，当 时

比较器 产生一脉冲使触发器再一次翻转；使双稳态的两个输出端各产生一个调制脉冲,脉冲宽度受 调制；

·                               当 时， 与 放电时间相同，输出经滤波后

平均电压为零 =0；

·                               当 时；图5—17差动脉冲调宽电路波形

若 ， 与 对 充放电时间不同输出电压不再是零，输出后两点平均值

等于 与 之差：

为触发器输出的高电平； 为 电容充电到 所需时间，电路（低通）输出直流电平为：

 

 

如果是差动变极距型电容输出为：

如果是差动变面积型电容输出电压是：

差动脉冲调制电路能适用于任何差动电容传感器，并有理论线性度，与双T型电路相似。不需加解调，检波由滤波直接获得直流输出，而且对矩形波纯度要求不高，只需稳压直流电源。

（4）运算放大器式电路

传感器电容， 固定电容， 放大器开环放大倍数，反相输出。设运放开环放大，放大倍数很高 ，输入阻抗 很高，a点为“虚地”点 ，I=0，为理想运放输入端：

图5—18运算放大器式电路原理

输出端：

因为：

所以：

对于单极板平板电容传感器：

输出电压：

讨论：

·                               输出电压 与动极板的机械位移 成线性关系，解决单电容非线性的问题。以上输出结果是在 理想条件下得到的，实际有一定的非线性，但只要 足够大，这种误差会较小。

·                               另外输出电压与固定电容 有关，因此 要求很稳定， 信号源电压也须采取稳压措施，减小输出误差问题。

 

5.4 电容式传感器的应用举例

电容传感器除用于测量位移、振动、压力、液位。与电感传感器相比，可以对非金属材料测量，如涂层、油膜厚度、电介质的湿度、容量、厚度等。可检测塑料、木材、纸张、液体等电介质。

5.4.1电容式料位计

传感器静电容：

 

图5—18电容式料位计示意图图5—19压差式电容压力传感器

 

5.4.2压差式电容压力传感器

结构：测量膜片（金属弹性膜片）——动片；

两个玻璃球面，球面上镀上金属——定片；

膜片两侧左右两定中充满硅油。

工作过程：当两室分别承受低压（ ）和高压（ ）时，由于硅油的不可压缩性和流动性，能将压差 传递到测量膜片，

·                               当 时，膜片处于中间位置，与两个定极板距离相等，使 ；

·                               当有差压作用时，测量膜片产生形变。

时，膜片向 弯曲，C1<C2，电容变化大小相同，方向相反；

时，膜片向 弯曲，C1>C2；

·                               将这种电容变化通过电路转换为电压的变化（差动电容形式）。

·                                

这类传感器也可以用来测量真空或微小绝对压力，把一侧密封后抽成真空，有分析得到经验公式：

K为常数与结构有关，表示电容变化与差压成正比，与 介电常数无关。

 

在工业生产流程自动控制中，温度、压力、流量、液位是四大重要参数。石油、钢铁、电力、化工、造纸等加工业的设备安全生产运转，对压力传感器的可靠性与稳定性提出较高要求。膜片式压力计是常用的一种，电容式膜片压力传感器分两种

·                               计示压力计以大气压为基准，测管道，箱内，罐中压力

·                               绝对压力计以绝对真空为基准，测蒸发罐，反应罐中压力

 

日本压力计测压范围在0.8～500 帕，使用温度-40℃～100℃。

5.4.3电容测厚仪

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5—20电容测厚仪电路原理

 

 

 

 

 

 

 

 

图5—21电容测厚仪传感器安装结构示意图

电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化， ， 放在带材两边，带材是电容的动极板，总电容为 ，作为一个桥臂。

·                               如果带材只是上下波动，电容的增量一个增加一个减少 ，总的电容量

不变；

·                               如果带材的厚度变化使电容 变化，电桥将该信号变化输出为电压，经放大器、整流电路的直流信号送出处理显示，显示为厚度变化。

·                               电容式板材在线测厚仪

由于加工中会有波动振幅为 的振动，可采用差动测量解决振动引起的变化。

与图5-20相似原理，传感器为 ，给定传感器相对位置和板材初始厚度h，板材厚度

，电路电压输出为：

则有 ，传感器引起电压的变化为：

传感器 引起电压的变化为：

上波动，

下波动，

总的电压：

可见输出电压与厚度 有关，与振动 无关。另外，工业现场要求抗干扰能力稳定性高，采用驱动电缆技术可达6.5m长度。

 

5.4.4力平衡式加速度传感器

这种传感器目前主要应用于超低频低加速度测量。是惯性导航系统中不可缺少的关键元件，中程导弹、军用飞机、飞船使用的加速度
传感器大多数是力平衡系统。

力平衡式传感器是先将被测量转换成力或力矩，然后用反馈力与其平衡的闭环传感器。可测加速度、角速度、压力、重量、电功率等。结构与原理如下。

 

 

图5—22 闭环反馈式传感器原理框图

结构：m惯性敏感元件，放大器， 位移传感器，磁电式力矩器，电容动片固定在质量块m上。

工作原理：当做加速度运动时，传感器整体上升时（位移），整体的加速度 = （单位时间速度增量）（厘米/秒2）。惯性力 作用，惯性元件m相对整体向下位移y，电容传感器测出y值，经放大器将电流I输给力矩器（给一个磁场推力）。力矩器产生反馈力 ，β为力矩器机电偶合系数， 与 方向相反，共同作用于质量块m。 使位移减小，直到为零 ，y=0。闭环系统上输出电压正比于被测加速度：

图5-23 力平衡式加速度传感器原理

 

惯性系统是典型的二阶机械系统，固有频率 和阻尼比 决定于惯性元件的阻尼系数b和弹性系数c，惯性元件的传递函数为：

 

5.4.5硅电容式集成传感器

硅电容式集成传感器大体由压力敏感电容器、转换电路和辅助电路三部分组成，其中压力敏感的电容器是核心部件，压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出。

（待续）

 

本章要点：

1．电容传感器工作原理和类型

·                               电容传感器输出特性和测量电路

·                               电容式传感器的应用

电容式传感器

    电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。

9.4.1 工作原理及类型

    由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为

（F）

（9.22)

式中      

—真空的介电常数， =8.854×10^-12F/m；

        ε—极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1；

             S—极板的遮盖面积（m²）；

            δ—两平行极板间的距离（m)。

    上式表明，当被测量δ、S或ε发生变化时，会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。

1.      极距变化型电容式传感器

 

 

 

 

 

电容式压力传感器

电容式压力传感器 来自 文客 Jump to: navigation, search 电容式压力传感器 capacitive type pressure transducer 　　利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。 　　单电容式压力传感器 　它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成（图1）。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。 差动电容式压力传感器 　它的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器（图2）。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

什么是电容式传感器？

发布者：肇庆市鼎湖仪表厂  发布时间：2007年1月31日

Audo look6.0下载 电容式传感器是将被测物理量变化转换为电容量变化的一种传感器。

 

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