传感器原理PPT电子课件教案-第5章 电容式传感器.ppt

,5.1 工作原理与分类 5.2 电容式传感器的主要特性 5.3 电容式传感器的测量线路 5.4 结构、结构稳定性及抗干扰问题 5.5 电容式传感器的应用,上一页,下一页,返 回,第五章 电容式传感器,2,电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一。电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器 基本原理 基于物体间的电容量与其结构参数之间的关系 只要被测物理量的变化能使电容器中任意一个参数产生相应改变而引起电容变化，再通过一定的测量线路将其转换为有用的电信号输出，即可以根据这种输出信号大小来判定被测物理量的大小，这就是电容式传感器的基本工作原理。,3,主要优点 小功率、高阻抗 小的静电引力和良好的动态特性 与电阻式传感器相比，其本身的发热影响小 可以进行非接触测量 结构简单、适应性强，可以在温度变化比较大或者具有各种辐射的恶劣环境中测量 主要缺点 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和精度,4,应用 广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步扩大到用于压力、压差、液位或者成分含量等方面的测量 随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使电容式传感器扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。,5,各种电容式传感器,6,5.1 工作原理与分类,工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容c为,c 输出电容(f); s 极板相对覆盖面积； 极板间距离； r介质的相对介电常数，对于空气介质r 1； 0真空介电常数，为8.85pf/m； ； 电容极板间介质的介电常数。,7,当被测参数变化使得上式中的、s和r 发生变化时, 电容量c也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。 只要被测物理量的变化能使电容器中任意一个参数产生相应改变而引起电容变化，再通过一定的测量线路将其转换为有用的电信号输出，即可以根据这种输出信号大小来判定被测物理量的大小，这就是电容式传感器的基本工作原理。 或s的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；r 的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。,8,分类 按工作原理分类,按极板形状分类 平板形和圆柱形,9,变间隙式传感器一般用来测量微小的线位移； 变面积式传感器一般用来测量角位移或者较大的线位移 变介电常数式常用于固体或者液体的物位测量，也用于测定介质的湿度、密度等状态参数。,10,5.2 电容式传感器的主要特性,5.2.1 变间隙式传感器 主要从特性曲线、灵敏度以及非线性等方面进行分析。,11,当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 ，其电容变化量c为,12,13,由上讨论可知： 灵敏度k与初始极距成反比，因此可用减少的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取0.10.2mm，c在20100pf之间。 由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01m的线位移，故在微位移检测中应用最广。 变间隙型电容传感器只有在/很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出； 非线性随最大相对位移增加而增加，因此为了保证一定的线性度，实际中应限制动极片的相对位移量,14,差动变间隙式电容传感器,式中只含有奇次项，因此非线性大大减小，灵敏度提高了一倍,15,5.2.2 变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着宽度方向平移时，其电容变化量化为,c与x间呈线性关系,增大极板长度，减小间隙可以使灵敏度提高，极板宽度不能太小，否则边缘电场的影响增大，非线性将增大,16,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,上一页,返 回,下一页,17,5.2.3 变介电常数型电容式传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,电极板的总长度,电极板的内径,液体的介电常数,18,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,19,20,5.2.4 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； rc由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成； ce为传感器本身的电容 c0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 rp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等,上一页,返 回,下一页,21,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，l和rc的影响可忽略 等效电容c=c0+ce， 等效电阻rerp,上一页,返 回,下一页,22,高频等效电路,电容的阻抗变小，l和rc的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其中c=c0+ce，而rerc,上一页,返 回,下一页,23,由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而r很小可以忽略，因此传感器的有效电容为：,此时电容传感器的等效灵敏度为,上一页,返 回,下一页,24,5.2.5 高阻抗 小功率,电容式传感器的电容量很小，因此其是一个高阻抗、小功率的传感器，而且电容变化量很小。 这一特征使它易受外界干扰，且其信号一般需用电子线路加以放大。采取多个传感元件并联以提高总电容量或提高电源频率，都可以减小容抗。,上一页,返 回,下一页,5.2.6 静电引力,电容式传感元件两极板之间存在静电场，因此极板受到静电吸力或静电力矩的作用，静电力能够使敏感元件产生附加位移，造成测量误差，不过这种静电引力很小，只对推动力很小的敏感元件才加以考虑,25,电容式传感器的输出电容值非常小（通常几皮法至几十皮法），因此不便直接显示、记录更难以传输。为此，需要借助测量电路来检测这一微小的电容量，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。测量电路的种类很多，下面介绍常用的几种测量线路。,5.3 电容式传感器的测量线路,26,5.3.1 交流不平衡电桥 5.3.2 二极管式线路 5.3.3 差动脉冲调制线路 5.3.4 运算放大器式线路,27,5.3.1 交流不平衡电桥(变压器式桥路),和 为交流供桥电源，在初始状态 c1和c2可以是两个差动电容器，也可以使其中之一为固定电容，另一个为电容传感器。 输出两端一般接放大器，放大器的输入阻抗无穷大,28,对于差动变间隙传感器来说：,29,优点 对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。,缺点 (1)输出与供桥电压成正比例，电源电压的不稳定性将直接影响测量精度 (2)传感器必须工作在小偏离状态下，否则电桥的非线性将增大 (3)输出为具有一定相位的交流电压，为了获得相应的直流输出，必须进行相敏解调，同时要求输出电压与激励电压之间要有严格的固定相移。,30,5.3.2 二极管式线路(非线性双t网络),31,从上式可以看出： (1) 输出电压不仅与电源电压的幅值大小有关，而且还与电源频率有关，因此除了要求稳压外，还须稳频。 (2) 输出与(c1-c2)有关，与交流不平衡电桥相比，原理上可以减少非线性，但是不能完全消除非线性。,32,该电路适用于各种电容式传感器，特点如下： 电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地； 二极管d1、d2工作于高电平下，因而非线性失真小； 其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定； 将d1、d2、r1、r2安装在c1、c2附近能消除电缆寄生电容影响； 不需要附加相敏解调器，就能获得高电平的直流输出 线路简单，灵敏度高,33,5.3.3 差动脉冲宽度调制线路,34,工作原理:,(1) 当电源接通时，双稳态触发器的输出a点为高电位， b 点为低电位， a点通过r1对c1充电，直到m点电位高于参考电位uf时，比较器a1将产生一个脉冲触发双稳态触发器翻转。,设传感器差动电容为c1和c2，双稳态触发器的两个输出端用作电路输出。,35,如此周而复始，在双稳态两输出端各自产生一宽度受c1、 c2调制的脉冲方波。当c1=c2时，电路中各点电压波形下图(a)所示，当c1不等于c2 ，电路中各点电压波形下图(b)所示,(2)一旦双稳态触发器翻转后,a点成为低电位,b点为高电位。此时m点电位经d1从uf迅速放电至零,而同时b点高电位通过r2对c2充电,当n点电位高于参考电位uf时,比较器a2将产生一个脉冲触发双稳态触发器翻转。一旦双稳态触发器翻转后，b点成为低电位，a点为高电位。,36,a、b两点间的平均电压为0,c1c2时，充放电时间常数发生变化uab不为0,37,uab经低通滤波后，就可得到一直流输出电压u0为 ：,ua、uba点和b点的矩形脉冲的直流分量； t1、t2 分别为c1和c2的充电时间； u1触发器输出的高电位。,上一页,返 回,下一页,38,c1、c2的充电时间,式中 uf触发器的参考电压,设r1=r2=r，则得,上一页,返 回,下一页,39,设电容c1和c2的极间距离和面积分别为1、2和s1、s2,差动变极距型 差动变面积型,结论： 差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性,上一页,返 回,下一页,40,优点：,采用直流电源，其电压稳定度高 不存在稳频、波形纯度的要求 也不需要相敏检波与解调即可获得直流输出 对元件无线性要求 经低通滤波器可输出较大的直流电压 对输出矩形波的纯度要求也不高,上一页,返 回,下一页,41,5.3.4 运算放大器式传感器,5.3.4 运算放大器式传感器,ui为信号源电压，cx是传感器电容，c0是固定电容，u0是输出电压信号 ，输入和输出均为交流电压,这种线路的最大特点是能够克服单电容变间隙式传感器的非线性，使输出与输入动极板位移成线性关系。,实质是 反相比例 运算电路,42,当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据基尔霍夫定律，有：,43,如果传感器是一只平行板电容，则：,代入上式得：,可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。,上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。,44,优点 克服了单电容变间隙式传感器的非线性,缺点 (1)测试精度取决于信号源电压的稳定性，需要高精度的交流稳压源 (2)输出为交流电压，需要精密整流电压输出，附加电路往往是的整个测量电路变得复杂,45,5. 4 结构、结构稳定性及抗干扰问题,温度变化对结构稳定性的影响 绝缘问题 寄生电容的干扰和防止 边缘效应,46,温度变化对结构稳定性的影响,在环境温度发生变化时，与电容有关的机械参量s和d以及介电常数都会随温度变化，产生附加电容变化，造成温度误差，这一点对于变间隙电容式传感器影响最大。 温度变化使各零件尺寸改变，可能导致本来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的特性误差，因此需作必要的温度补偿。 方法措施： 减少热膨胀尺寸链的组成环节数目及其尺寸 选用热膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料 采用差动对称结构,47,温度变化还能引起电容极板间介质介电常数的变化，使传感器电容改变，带来温度误差。温度对介电常数的影响随介质的不同而异，对于以空气或云母为介质的传感器来说，这项误差很小，一般不予考虑，但是在测量液位等介质不是空气或者云母时，需要对这个误差进行补偿。,48,绝缘问题,电容式传感器的电容量很小，如果电源频率也较低时，其本身的容抗就会很大。在一般的电器设备中，绝缘电阻的阻抗都小于电容式传感器本身的容抗，因此在电路中，绝缘电阻都被看成是电容式传感器的一个旁路，称为漏电阻 由于漏电阻将与传感器电容构成以复阻抗而加入测量线路中去影响输出，因此当绝缘材料的性能不好时，绝缘电阻就会随着环境温度和湿度的变化而变化，导致电容式传感器的输出产生缓慢的零位漂移。 绝缘材料的要求： 低的膨胀系数、几何尺寸的长期稳定性、高的绝缘电阻、低的吸潮性 降低零位漂移的措施 将表壳密封 采用高的电源频率,49,寄生电容的干扰和防止,寄生电容：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（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这种附加的电容联系称为寄生电容。 由于传感器本身电容很小，所以寄生电容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定。,50,寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号，影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法：,消除和减小寄生电容的影响,（1）增加传感器原始电容值； （2）注意传感器的接地和屏蔽； （3）集成化； （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法； （6）整体屏蔽法；,51,（1）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.2-0.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3-103 pf范围内，相对值变化在 10-6-1范围内。,52,图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号。,引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。,（2）传感器的接地和屏蔽,53,（3）集成化 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大大减小而且固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能.,54,基本思路：将电极引出线进行内外双层屏蔽，使内层屏蔽与引出线的电位相同，从而消除引出线对内层屏蔽的容性漏电，而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用。,55,（5）采用运算放大器法 下图是利用运算放大器的虚地来减小引线电缆寄生电容cp的原理图.图中电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点,电缆的屏蔽层接仪器地,这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容cp/(1a),因而大大地减小了电缆电容的影响.外界干扰因屏蔽层接仪器地,对芯线无作用,传感器的另一电极接大地,用来防止外电场的干扰。若采用双屏蔽层电缆,其外屏蔽层接大地,干扰影响就更小。实际上,这是一种不完全的电缆“驱动技术”,结构较简单。开环放大倍数a越大,精度越高。选择足够大的a值可保证所需的测量精度。,56,（6）整体屏蔽法 将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。,防止和减小外界干扰 当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为：,57,屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。 增加原始电容量，降低容抗。 导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。 尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。 采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。,58,边缘效应 电容器两极板的电场分布在中心部分是均匀的，但到了边缘部分是不均匀的，因此边缘效应使设计计算复杂化、产生非线性以及降低传感器的灵敏度。消除和减小边缘效应的方法是在结构上增设防护电极，防护电极必须与被防护电极取相同的电位，如图所示，这样可以使工作极板全部面积处于均匀电场的范围。,应该说明的是，增设防护电极虽然有效地抑制了边缘效应，但也增加了加工工艺难度。另外，为了保持防护电极与被防护电极的等电位，一般尽量使二者同为低电位。,59,5. 5 电容式传感器的应用,电容式压差传感器 电容式液位传感器 电容式位移传感器 容栅式传感器,电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。,60,电容式差压传感器,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms) 能测微小压差(00.75pa)、真空或微小绝对压力 需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5pa),上一页,返 回,下一页,61,电容式液位计,电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。,62,(1)安装形式 电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而有差别 右图为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极,一般用紫铜或不锈钢,外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层,而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。,1-内电极；2-绝缘套,63,右图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。 1、2-内、外电极； 3-绝缘套;4-流通孔。,64,以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容； 在测极低温度下的液态气体时，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。,65,油量测量,当燃油增大，h2增大，c也增大；燃油减少，h2减少，c也减小。通过测量电容的大小就能知道油量的多少。,圆柱型电容传感器的电容为,66,a)测振幅,b)测轴回转精度和轴心偏摆,电容式位移传感器应用,上一页,返 回,下一页,67,1、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度,电容式加速度传感器,上一页,返 回,下一页,68,其他应用湿度测量,湿敏电容一般用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等,hm1500湿度传感器,当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。,69,电容式键盘,常规的键盘有机械按键和电容按键两种。 电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。,利用变极距型电容传感器实现信息转换,70,在日常生活中，往往会出现这样一些情况：钥匙丢了，进不了门；密码忘了，无法在atm机上取钱；电脑中的重要资料被他人非法复制了；手机被他人盗用， 这些都给我们造成了很大的麻烦甚至损失，以上这一切都与身份识别有关。 目前，身份识别所采用的方法主要有：根据人们所持有的物品如钥匙、证件、卡等；或人们所知道的内容如密码和口令等来确定其身份。但物品可能丢失和复制，内容容易遗忘和泄露 。,生物识别技术,71,生物识别技术，如指纹识别或者虹膜识别，在侦探电影中破案人员依靠现场指纹进行罪犯确认、用指纹代替密码开启保险箱；依靠眼睛对着一个小摄像机来取代钥匙开门等等。这就是被比尔盖茨称之为21世纪最重要的应用技术之一的生物识别技术，它正在步入我们的生活中。 生物识别是依靠人体的身体特征来进行身份验证的一种解决方案。这些身体特征包括指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜和dna等人体的生物特征，以及签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等个人的行为特征。现在开发和研究中的还有通过静脉、耳朵形状、按键节奏、身体气味等的识别技术。,72,指纹识别,73,指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。 右图为指纹