[工学]32电容式传感器.ppt

第四章 电容式传感器 电容式传感器是将被测物理量转换为电容变化的一种 转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容 式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、物位、压力 、成份分析、介质特性等方面的测量。 基本工作原理及分类 以平行板电容为例（如图4.1），如果不考虑其边缘 效应，其电容量为 （4.1） 式中： 极板间介质的相对介电常数，空气介质 ； 真空介电常数 ； 二平行极板覆盖面积； 下页上页返回 极板间距离。 显然，电容量 是 、 、 的函数。如果保持其中两个参数 不变，只改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的 变化。因此，电容式传感器分为极距变化型，面积变化型，介质变 化型三类。 下页上页返回 什么是电容器？ 电容器由两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔 开的电导体构成。 电容 导体上的电荷 导体之间的电压差 在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而 只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容 量的变化，通过测量电路转换为电量输出。 电容式传感器可分为三种： 变极板间距离的变极距型 改变极板面积的变面积型 改变介质介电常数的变介质型 电容式接近开关 电容式指纹传感器 电容式变送器 差压传感器 认识各种电容式传感器 硅微电容式传感器 测量管道液位高度 认识各种电容式传感器 (1)变极距型传感器 (2)变面积型传感器 (3)变介质型传感器 （1）极距变化型电容式传感器 极距变化型电容式传感器结构原理如图3.5所示。由式（3.9） 知，电容量 与极板间距 成双曲线关系。极距变化 时，电容 变化量为 下页上页返回 当 减小 时 电容 C 增加 C0 C C 电容相对变化 ： 初始电容: 当减小时： 讨论：讨论： 灵敏度灵敏度K K与极板间距与极板间距 平方成反比，极距愈小，灵敏平方成反比，极距愈小，灵敏 度愈高。度愈高。 电容量电容量C C与极距与极距 呈非线性关系，减小初始极距将引呈非线性关系，减小初始极距将引 起非线性误差，只适合于微位移的测量。起非线性误差，只适合于微位移的测量。 初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此, , 极极 板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作 介质。介质。 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构差动结构。 传感器灵敏度: 传感器灵敏度： （4.2） 可见，灵敏度与成反比，极距越小，灵敏度越高。为减小非线 性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。 在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，克服压力、环境 温度、电源电压等外界因素对测量精度的影响，通常情况下把电容 器接成差动形式，如图4.3所示。 差动式电容传感器一般采用三块极板，其中中间一块极板为动 极板，两边为定极板。当动极板移动 距离， ， 。 对应的电容量 、 的变化通过差动电桥叠加使输出和灵敏度均提 高一倍，非线性得到改善，且工作稳定性好。 下页上页返回 差动结构 uu差动结构的电容特征方程式为：差动结构的电容特征方程式为： 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. 差动的好处 灵敏度得到一倍的改善 线性度得到改善 非线性误差: （2）面积变化型电容传感器 面积变化型电容传感器有线位移和角位移两种。线位移型电容 式传感器又分为平面线位移和圆柱线位移两种。 图3.7a为平面线位移型传感器，电容量为： （4.11） 下页上页返回 平板电容：当动极板移动x后两极板间电容量为： 初始电容 电容的相对变化量 b a x 电容改变量与水平位移成线性关系 结论： 变面积式电容传感器灵敏度K为常数； 输出特性为线性； 适合大位移测量。 v 平板变面积型电容传感器灵敏度 电容式角位移传感器 当=0时 当0时 传感器电容量C与角位移间呈线性关系 电容改变量与角位移呈线性关系 灵敏度为： 常数 （4.12） 图4.7b为圆柱型线位移传感器，电容量为： （4.13） 灵敏度为： 常数 （4.14） 图4.7c所示为角位移型传感器，电容量 下页上页返回 因为 故 （4.15） 灵敏度为： 常数 （4.16） 下页上页返回 变面积式电容传感器的输出与输入呈线性关系，但灵敏度比变 极矩形低，适用于较大为线位移和角位移测量。变面积式电容器通 常也采用差动形式，传感器的输出和灵敏度可提高一倍。 （3）介质变化型电容传感器 图4.8为介质变化型电容传感器，在固定两极板之间加入空气以 外的其他被测固体介质，当介质变化时，电容量也随之变化。忽略 边界效应，假设空气相对介电常数为 ，固体介质相对介电常数为 ，电容量为 下页上页返回 由式（4.18）可得，当极板面积 和极板间距 一定时，电容 量大小和被测固体材料的厚度 和被测固体材料的介电常数有关。 如果已知材料的介电常数，可以制成测厚仪，而已知材料的厚度， 可制成介电常数的测量仪。 下页上页返回 v d不变，改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤 等非导电固体介质的湿度。 v 不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度 d 0 rs 气隙 平板式 当L=0时，传感器的初始电容 当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为: 电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 平板式 测液位高度 1：液体介质的介电常数 : 空气的介电常数； H: 电极板的总长度； d 、D：电极板的内、外径； 初始电容: 电容与液位的关系为： 柱式 电容增量与被测液位的高度成线性关系 （1）交流电桥 4.3 测量电路 平衡条件为 （2）变压器电桥 等效电路图 说明： v Z时，U=f(），成线性关系 v USC与USr有关，所以必须交流稳压。 v 需要放大、解调、滤波。 E1 E2 C1 C2 I1 I2 If Zf （3）二极管双T形电路 电路原理如图(a)。供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50的方波。 C2 UE (b) R R RL C2C1 VD1 VD2 iC1 iC2 + + UE (a) C1 C1 C2 UE RLRL RRRR + + + + iC1 iC2 iC1iC2 当 UE为正半周时, 二极管VD1导通、VD2截止, 于是电容C1充电; 在随 后负半周出现时, 电容C1上的电荷通过电阻R, 负载电阻RL放电, 流过RL 的电流为 。 在负半周内, VD2导通、VD1截止, 则电容C2充电; 在随后出现正半周时, C2通过电阻R, 负载电阻RL放电, 流过RL的电流为 。 根据上面所给的条件, 则电流 = , 且方向相反, 在一个周期内流 过RL的平均电流为零。 若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路 UE + R RR U L L E iC2 C2 U0 R RL R 供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波 可直接得到电容C2的电流iC2如下: 同理，负半周时电容C1的平均电流: 在R（RRL）/（RRL）C2 PL时，膜片PL向右弯曲，C1C2； 将这种电容变化通过电路转换为电压变化 电容传感器盒膜结构片 差动电容式压力传感器 3电容测厚仪 电容测厚仪用于测量金 属带材在轧制过程中的厚 度变化。 带材是电容的动极板， 总电容C1+C2作为桥臂。 带材只是上下波动时 Cx=C1+C2总的电容量不变 ；带材的厚度变化使电容 Cx变化。 4电容测位移 5.智能型电容传感器 硅微型