第五章--电容式传感器重点.ppt

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1、传感器原理与应用第5章 电容式传感器1第5章 电容式传感器 电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成分含量等方面的测量。2第5章 电容式传感器 电容式传感器的优点：功率小、阻抗高；静电引力小、动态特性良好；和电阻式传感器相比，电容式传感器本身发热影响小；可进行非接触测量；结构简单，适应性强，可以在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣环境中工作。电容式传感器的缺点：输出具有非线性；寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度。3第5章 电容式传感器 5.1 电容式传感器的工

2、作原理和结构 5.2 电容式传感器的主要特性 5.3 电容式传感器的信号调节电路 5.4 影响精度的因素及提高的措施 5.5 应用举例45.1 电容式传感器的工作原理和结构1.工作原理 如图所示，由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为：式中 e电容极板间介质的介电常数，e=e0er，其中e0为真空介电常数，er为极板间介质相对介电常数；A两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间的距离。55.1 电容式传感器的工作原理和结构 由式（5.1）可知，当d、A和er中任一个或某几个参数有变化时，就改变了电容C。因此电容式传感器分为三种类型：变极距型：极板相对覆盖面积

3、A和相对介电常数er不变，改变极距d。可用于测量小位移。变面积型：极距d及相对介电常数er不变，改变极板相对覆盖面积A（改变覆盖长度或宽度）。可用于测量较大线位移或角位移。变介电常数：极距d和极板相对覆盖面积A不变，改变相对介电常数er。常用于测量液位、材料的浊度或成分等的变化。65.1 电容式传感器的工作原理和结构2.结构形式 如图所示，给出了一些常见电容式传感器的原理结构形式。其中图(a)、(b)为变极距型；图(c)、(d)、(e)和(f)为变面积型；图(g)和(h)为变介电常数型。图(a)、(b)、(c)、(e)和(f)是线位移传感器；图(d)是角位移传感器；图(b)和(f)是差动式电容

4、传感器。75.2 电容式传感器的主要特性 5.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性 5.2.2 等效电路85.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性1.变极距型 由式（5.1）知，电容C与极距d呈反比，如图所示。显然这种传感器的特性为非线性。为使传感器能近似在线性下工作，必须限制动极板在一个较小的范围内变化，使DC与Dd的关系近似为线性。95.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性 当传感器的e和A为常数，初始极距为d时，其初始电容C为 若电容器极板间距离由初始值d减小Dd，则电容量增大DC，有105.2.1 特性曲线、灵敏度、非线性将式（5.2）展开为级数 当d/d5,k25，则(5.30)中的指数项所占比

5、例不足1%，忽略后平均电流为：输出平均电压为：输出电压Uout不仅与电源电压的幅值和频率有关,而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。5.3.4 双极管T型网络515.3.5 差动脉冲宽度调制电路 差动脉冲宽度调制电路，是利用对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随传感器的电容量变化而变化。其电路原理如图所示。52 图中C1、C2为差动式电容传感器（若用单边式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初值相等）；电阻R1=R2；A1、A2为比较器。当双稳态触发器处于某一状态，Q=1,A点高电位，通过R1对C1充电，时间常数为t1=R1C1，直至F点电位高于参比电位Ur，比较器A1输出

6、正跳变信号。Q=1期间，电容器C2上已充电流通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转，使Q=0，于是A点为低电位，C1通过VD1迅速放电，而B点高电位通过R2对C2充电，时间常数为t2=R2C2，直至G点电位高于参比电位Ur。5.3.5 差动脉冲宽度调制电路535.3.5 差动脉冲宽度调制电路 当C1=C2时，各点电压波形如图所示，输出电压UAB的平均值为零。545.3.5 差动脉冲宽度调制电路 但当C1、C2不相等时，充电时间常数发生改变，若C1C2，则对应各点电压波形如图所示。输出电压UAB的平均值不为零。555.3.5 差动脉冲宽度调制电路 此时UAB经低通滤波后，所得直

7、流电压 式中，UA、UB分别为A、B两点矩形脉冲的直流分量；T1、T2分别为C1、C2的充电时间；U1为触发器输出的高电平。56由于取R1=R2=R，得把平行极板电容的公式代入，在变极距的情况下可得式中d1、d2分别为C1、C2极板间距离。5.3.5 差动脉冲宽度调制电路57 若C1、C2组成差动变极距式电容传感器，当差动电容C1=C2=C0，即d1=d2=d0时，UAB=0；若C1C2，设C1C2，即d1=d0-Dd，d2=d0+Dd，则同样，在差动变面积电容传感器中，有5.3.5 差动脉冲宽度调制电路58 由此可见,差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性

8、特性,且转换效率高,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。5.3.5 差动脉冲宽度调制电路595.4 影响精度的因素及提高的措施 5.4.1 温度的影响 5.4.2 边缘效应的影响 5.4.3 漏电阻的影响 5.4.4 寄生电容的影响 5.4.5 防止和减小外界干扰605.4.1 温度的影响温度的影响 温度对电容式传感器的影响如下：改变传感器各零件的几何尺寸和相互间的几何位置。影响介质的介电常数。二者都将引起传感器电容值的变化而造成温度附加误差。消除前者误差的办法是尽量选取温度系数小温度系数小和温度系数稳定的材料和温度系数稳定的材料。如电极材料选用铁镍合金，支架选用

9、陶瓷等。而消除后者温度误差则要通过测量电路进行补偿。61 5.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响 电容器的边缘效应是指，电容极板边缘处电场分布不均匀，使得电容量不等于理论值。边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此，应尽量消除或减小它。适当减小极间距，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并限制测量范围。将电极板做得极薄，使之与极间距相比很小，也可减小边缘效应的影响。62635.4.2 边缘效应的影响边缘效应的影响 还可在结构上增设等位环来消除边缘效应，如图所示。图(a)为带有等位环的电容式传感器原理图，图(b)为其实例。图中2为传感器内电极(圆形)，1为另一电极(可在传感器内也

10、可是被测物)。等位环3安放在电极2外，且与电极2等电位，这样就能使电极2的边缘电力线平直，两电极间电场基本均匀，而边缘电场发生在等位环3的外周不影响传感器工作。边缘效应所引起的非线性与变极距型电容传感器原理上的非线性正好相反，因此在一定程度上起了补偿作用。6364图5.1364655.4.3 漏电阻的影响漏电阻的影响 电容式传感器的电容量一般都很小，几个pF几百pF。如果电源频率较低，则电容式传感器本身的容抗就可达几MW几百MW。在一般电器设备中绝缘电阻有几MW就足够了，但对于电容式传感器来说却不能看作是绝缘，一般绝缘电阻将被看作是对电容式传感器的一个旁路，称为漏电阻。漏电阻将与传感电容构成一

11、复阻抗而加入测量线路影响输出。更严重的是当绝缘材料性能不好时，绝缘电阻会随着环境温度和湿度而变化，致使电容式传感器的输出产生缓慢的零位漂移。所以绝缘材料应选用玻璃、石英、陶瓷、尼龙等，而不能用夹布胶木等一般电绝缘材料。65665.4.4 寄生电容的影响 在任何两个导体之间均可构成电容联系，因此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（包括仪器中各种元件甚至人体）之间产生电容联系。这种附加的电容，称为寄生电容。寄生电容使电容传感器的电容量改变并且引起传感器的特性不稳定。66675.4.4 寄生电容的影响为消除和减小寄生电容可采用如下方法:1.缩短传感器至测量线路前置级的距离 将集成化

12、电路、超小型电容器应用于测量电路，可使部分部件与传感器做成一体，这样既减小了寄生 电容值，又可使寄生电容值固定不变。67685.4.4 寄生电容的影响 2.驱动电缆法 电容传感器的输出引线采用双层屏蔽电缆，电缆引线将电容极板上的电压输入至测量线路的同时，再输入至一个放大倍数严格为1的放大器，因而放大器的输出端得到一个与输入完全相同的输出电压，然后将其加到内屏蔽上。由于内屏蔽与引线之间等电位，因而消除了引线与内屏蔽之间的电容联系。而外层屏蔽接地后，内、外屏蔽之间的电容将成为放大器的负载，不再与传感器电容相并联。这样，无论电缆形状和位置如何变化都不会对传感器的工作产生影响。6869图5.14697

13、05.4.4 寄生电容的影响 3.整体屏蔽法 所谓整体屏蔽法是整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）用同一个屏蔽壳保护起来，正确选择接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。如图所示，是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统。70715.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰 屏蔽和接地：用良导体做传感器壳体，将传感元件包围起来，并可靠接地；用金属网把导线套起来，金属网可靠接地；双层屏蔽线可靠接地；传感器与电子线路前置级一起装在良好屏蔽壳体内，壳体可靠接地等等。增加原始电容值，降低容抗。导线间的分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成垂直排列，若必须平行排

14、列时，可采用同轴屏蔽线。7172 尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体和宽印刷线。尽量采用差动式电容传感器，可减小非线性误差，提高灵敏度，减小寄生电容的影响以及减小干扰。5.4.5 防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰72 电容式传感器的信号调节电路u 运算放大器式电路u 变压桥电路u 调频测量电路u 双极管T型网络u 差动脉冲宽度调制电路73 影响精度的因素及提高的措施u 温度的影响u 边缘效应的影响u 漏电阻的影响u 寄生电容的影响u 防止和减小外界干扰74755.6 应用举例 5.6.1 电容式位移传感器 5.6.2 电容式差压传感器 5.6.3 电容式加速度传感器 5.6.

15、4 差动式电容测厚传感器 5.6.5 电容式料位传感器 75765.6.1 电容式位移传感器 电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，还可用来测量转轴的回转精度和轴心动态偏摆。它们的应用如图所示。76775.6.2 电容式差压传感器 如图所示。这种传感器结构简单，灵敏度高，响应速度快(约100ms)，能测微小差压(00.75Pa)。它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25mm，其上各镀以金属作为电容式传感器的两个固定电极，而夹在两凹圆盘中的膜片则为传感器的可动电极。当两边压力P1=P2，膜片处在中间位置，Cab=Cdb。当P1P2时，膜片向压力小的一侧

16、弯曲，CabCdb。这种差压传感器不仅用来测量P1与P2的压差，也可用于测量真空或微小绝对压力，此时只要把膜片的一侧密封抽到高真空（10-5Pa）即可。7778图5.2478795.6.3 电容式加速度传感器 图示为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘）,中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气

17、或其它气体作阻尼物质。7980图5.258081差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器81825.6.5 电容式料位传感器 如图所示，是电容式料位传感器结构示意图。测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。当罐内放入被测物料时,由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。8283电容式料位传感器83 传感器的静电电容可由下式表示:式中:k比例常数;s被测物料的相对介电常数;D储罐的内径;d测定电极的直径;h被测物料的高度。5.6.5 电容式料位传感器两种

18、介质常数差别越大,极径D与d相差愈小,传感器灵敏度就愈高。84作业:(1)设d1=d2=1mm,极板为正方形(变长为50 mm)。1=1，2=4，试在x为0-50mm范围内，给出此位移传感器的特性曲线，并进行简要说明。（假设移动介质的长度=50mm）85作业:(2)图(a)为一差动变极距型电容式位移传感器的结构示意图，图(b)为电桥检测电路。uin=Umsint为激励电压，试建立输出电压uout与被测位移的关系，并说明该检测方案的特点。(b)86作业：(3)一差动变极距型电容式位移传感器的结构示意图如(a)所示。某工程师设计了图(b)(c)两种检测电路，欲利用电路的谐振频率检测位移，试分析这两种方案。(b)(c)87作业：(4)给出一种电容式传感器的应用实例，分析其结构原理、工作过程。88