电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用举例及其相关技术图解

电容式传感器的应用比较广泛，主要用于测量位移、压力、速度、介质、浓度、物位等物理量的变化。

【例3.3】　电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用（图3.34）。

图3.34　电容测厚装置

电容测厚仪的工作原理如图3.34所示。在被测带材的上下两侧各置一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样，极板与带材就构成了两个电容器C1和C2。将两块极板用导线连接，形成一个电极，而带材就是电容的另一个电极，其总电容为Cx＝C1＋C2。电容Cx与固定电容C0、变压器的次级线圈L1和L2构成电桥，信号发生器提供变压器初级信号，经耦合作为交流电桥的供桥电源。

当被轧制板材的厚度相对于要求值发生变化时，则Cx发生变化。若Cx增大，表示板材厚度变厚；反之，板材变薄。此时电桥输出信号也将发生变化，变化量经耦合电容C输出给放大器放大、整流，再经差动放大器放大后，一方面由指示仪表指示出板材厚度，另一方面通过反馈回路将偏差信号传送给压力调节装置，调节轧辊与板材间的距离，经过不断调节，使板材厚度控制在一定误差范围内。

这种电容测厚传感器就这样将测出的变化量与标定量进行比较，用比较后的偏差量反馈控制轧制过程，以控制板材厚度。

【例3.4】　电容式称重传感器。

电容式称重传感器的结构形式很多，只要利用弹性敏感元件的变形，造成电容随外加重量的变化而变化，就可构成电容式称重传感器。

如图3.35所示，扁环形弹性元件内腔上下平面分别固定电容传感器的定极板和动极板，称重时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化。配接调频电路后，电容量变化就会引起振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、编码，传输到显示部分。

图3.35　电容式称重传感器（一）

图3.36所示的电容式称重传感器，是在弹性钢体上高度相同处打一排圆孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当钢体上端面承受重量时，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化，同时利用误差平均效应，测量误差大大减小。

图3.36　电容式称重传感器（二）

【例3.5】　电容式压力传感器。

图3.37所示是单只变极距型电容压力传感器，用于测量气体或液体的压力。流体或气体压力作用于弹性膜片（动极板），使弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化。

图3.37　单只变极距型电容压力传感器

图3.38所示是一种差动式电容压差传感器。加有预张力的不锈钢膜片作为弹性敏感元件，同时也是电容式传感器的动极板，而凹型玻璃基片上镀有金属层的极板作为传感器的两个定极板。当被测压力通过多孔金属过滤器进入空腔时，由于弹性膜片两侧的压力差，使膜片凹向压力小的一侧，产生位移，从而使一个电容的电容量增大，另一个则相应减小。这种传感器的灵敏度和分辨率都很高，灵敏度取决于初始间隙δ0，δ0越小，灵敏度越高。同时，当过载时，膜片受到凹曲的玻璃表面的保护，而不致发生破裂。根据实验，该传感器可以测量0～0.75 Pa的微小压差，其动态响应主要取决于弹性膜片的固有频率。该传感器可与差动脉冲宽度调制电路构成压力测量系统。

图3.38　差动式电容压差传感器

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【例3.6】　电容式加速度传感器。

图3.39所示电容式加速度传感器是差动式结构，它有两个固定电极，定极板1和定极板2。两极板间有一个用弹簧支撑的质量块m，质量块的两端面经抛光后作为动极板。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使其相对固定电极产生位移，C1和C2中一个增大、一个减小。(www.xing528.com)

图3.39　电容式加速度传感器

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图3.40是利用微机械加工技术制作的集成式电容加速度传感器，其中的第二层多晶硅构成的悬臂是传感器的动极板质量块部分。

图3.40　ADX150集成式电容加速度传感器

【例3.7】　容栅传感器。

容栅传感器如图3.41所示，它是一种用于测量位移的差动式变面积型电容传感器，其极板上制有多个梳齿形栅状电容。定极板（又称长栅）上等间隔交叉配置两组极栅，动极板和定极板以一定间隙δ上下配置，构成差动结构。它实际是多个差动式变面积型电容传感器的并联。

图3.41　容栅传感器原理

动极板和定极板有相同的极距p和栅宽（a＝b），且a＝b＝（0.3～0.6）p时，传感器有较好的线性度和灵敏度。容栅传感器利用误差平均效应，测量精度很高，目前已制成的电子数字显示卡尺，配用细分电路后，可检测10 μm的微位移，测量范围为0～150 mm。其外形如图3.42所示。

图3.42　利用容栅传感器原理的数字显示卡尺

【例3.8】　电容式触摸屏。

利用模拟式电容技术的触摸屏是一块四层复合玻璃屏。玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO（氧化铟锡），最外层是只有0.001 5 mm厚的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层，以保证良好的工作环境。

当触摸电容屏时，由于人体电场，使用者的手指和工作面形成一个耦合电容。因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收掉一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏四个角上的电极中流出，并且理论上流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例，控制器通过对这四个电流比例的精密计算，得出触摸点的位置，如图3.43所示。

图3.43　电容触摸屏工作原理

【例3.9】　电容式指纹识别传感器。

电容式指纹识别传感器在笔记本式计算机、手机及汽车等的指纹识别及防盗中得到广泛应用，如图3.44所示。

图3.44　电容式指纹识别传感器

①电容式键盘。常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，以实现信息的转换。

②指纹识别。指纹识别传感器中含有指纹传感芯片，指纹传感芯片表面由若干个电容传感器组成。当把手指放在传感器上时，手指充当电容器的另外一个电极。由于手指上存在指纹纹路，且深浅不一致，导致硅表面电容阵列的各个电容的电压不同，通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图像，从而达到辨别指纹的目的。