《电容式传感器》PPT课件.ppt

第5章 电容式传感器,概述,1,电容式传感器的工作原理和结构,2,电容式传感器的灵敏度和非线性,3,电容式传感器的等效电路,4,电容式传感器的测量电路,5,电容式传感器的应用,6,1.电容式传感器的基本原理和三种结构； 2.变极距型电容式传感器的测量原理； 3.变面积传感器类型极其测量原理； 4.变介质型电容式传感器的测量原理； 5.差动变极距型电容式传感器的灵敏度极其相对非线性误差分析； 6. 电容式传感器的测量的测量路。,本章知识点,电容式传感器的工作原理、灵敏度、相对非线性误差分析、测量电路；,本章重点,本章难点,电容式传感器的测量电路分析!,5.0 概述,1.电容传感器,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。,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。,2. 特点,结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点，成为一种很有发展前途的传感器。,3. 应用,压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。,5.1 电容式传感器的工作原理和结构,当被测参数变化使得式中的A、 d或发生变化时， 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。,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,1. 基本工作原理,电容式传感器可分为： （1）变极距型变面 （2）变面积型 （3）变介电常数型,（1）变极距型,2. 结构形式,（2）变面积型,（3）变介电常数型,5.1.1 变极距型电容传感器,当传感器的r和A为常数，初始极距为d0时，由式（5-1）可知其初始电容量C0为,图5-2 变极距型电容式传感器,1. 工作原理,若电容器极板间距离由初始值 d0 缩小了d，电容量增大了C，则有,若d/d01时，1-(d/d0)21，则式,图5-3 电容量与极板间距离的关系,1. 在d/d0很小时，近似线性关系; 2. d0小灵敏度高。,（1）只有在d/d0很小时，才有C与d 近似的线性关系，所以，这种类型的传感器一般用来测量微小变化量。 （2）灵敏度Kc与初始极距0的成反比，故可用减少0的办法来提高灵敏度。,2. 特点,但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、 塑料膜等）作介质。 此时电容C变为,图5-4 放置云母片的电容器,式中： g云母的相对介电常数，g=7； 0空气的介电常数，0=1； d0空气隙厚度； dg云母片的厚度。,此时，相当于两个电容串联，即：,云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间。 式中的dg/0g项是恒定值， 它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。 极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10， 故在微位移测量中应用最广。,被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容量的变化。,5.1.2 变面积型电容式传感器,1. 测量线位移的变面积式电容传感器,图5-5 变面积型电容传感器原理图,(a)单片式 (b) 中间极移动式,当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，则电容变化量为,式中C0=0r ba/d 为初始电容。电容相对变化量为,电容量C与水平位移x呈线性关系。,图5-6 电容式角位移传感器原理图,2. 测量角位移的变面积式电容传感器,图5-6是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。,电容器在电子仪表中作为元器件来使用；在非电量电测中作为测量位移的传感器来使用。,（1）当=0时,式中： r介质相对介电常数； d0两极板间距离； S0两极板间初始覆盖面积。,（2）当0时,传感器的电容量C与角位移呈线性关系。,5.1.3 变介质型电容式传感器,测量液位高度； 测量位移； 测量纸张、绝缘薄膜的厚度； 粮食、纺织品、木材、煤等 非导电固体介质的湿度。,1. 测量液位的变介质型电容传感器,被测介质的介电常数为1； 液面高度为h； 变换器总高度为H； 内筒外径为d； 外筒内径为D。,图5-7 电容式液位变换器结构原理图,由物理学可知： 同轴圆柱筒形圆板间的电容值为,式中：空气介电常数； C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值,C1为液体有效高度h形成的电容， C0 和C1等效为并联。,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。,图5-8 测量位移变介质型电容式传感器,2. 测量位移的变介质型电容传感器,图中两平行电极固定不动，极距为d0。 相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。,L0极板的长度和宽度； b0极板的长度和宽度； L第二种介质进入极板间的长度。,传感器总电容量C为,当L=0时，传感器初始电容C0=0rL0b0/d0。 当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,可见，电容量的变化与电介质r2的移动量L成线性关系。,5.2 电容式传感器的灵敏度及非线性,因除变极距型电容传感器外，其它几种形式的传感器的输入量与输出量之间均为线性，故，本节只讨论变极距型平板电容式传感器的灵敏度及非线性。,由式（5-3）可知， 电容的相对变化量为,1. 输出特性,当|d/d0|1时，上式可按级数展开，可得,输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间成非线性关系。当|d/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系。 如下式所示：,2. 灵敏度,它说明了单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。,电容传感器的灵敏度为,3. 非线性误差,由此可得出传感器的相对非线性误差为,要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。如何解决这对矛盾？,如果考虑式（5-14）中的线性项与二次项， 则,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。,4. 减小非线性误差方法,图5-9 变极距型差动平板式电容传感器结构图,在差动式平板电容器中，当动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d, 则,在d/d01时, 按级数展开得,电容值总的变化量为,略去高次项，则C/C0与d/d0近似成为如下的线性关系：,如果只考虑式中的线性项和三次项, 则电容式传感器的相对非线性误差近似为,灵敏度增加了一倍；减小了非线性误差！,5.3 电容式传感器的等效电路,图5-10 电容式传感器的等效电路,Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。 Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。 电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。,由等效电路可知， 它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。 当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。,因此，工作频率应该选择低于谐振频率的1/31/2，即 ：f=（1/3 1/2f0），电容传感器才能正常工作！,传感元件的有效电容Ce可由下式求得,(为了计算方便，忽略Rs和Rp),在这种情况下，电容的实际相对变化量为,表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L的角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件相同！,5.4 电容式传感器的测量电路,1. 测量电路模型,测量电路,电容变化,可用电量,C,U、I、f 等,2. 测量电路类型,调幅电路,调频电路,脉冲调宽电路,交流电桥,运算放大器式电路,普通电桥,变压器电桥,双T电桥,常用电路有三大类,紧耦合电感臂电桥,调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分, 当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。 调频式测量电路原理框图如图5-11所示:,图5-11 调频式测量电路原理框图,5.4.1 调频电路,式中： L振荡回路的电感； C振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx 其中C1为振荡回路固有电容, C2为传感器引线分布电容, Cx=C0C为传感器的电容。,图中调频振荡器的振荡频率为,C=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0，其表示式为,（1）当被测信号为0时,（2）当被测信号不为0时,C0， 振荡器频率有相应变化， 此时频率为,调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度， 可以测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量， 并与计算机通讯，抗干扰能力强， 可以发送、 接收， 以达到遥测遥控的目的。,特点：,由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高（不产生电荷泄露）， 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。,5.4.2 运算放大器式电路,图5-12 运算放大器式电路原理图,由运算放大器工作原理可得,Cx为电容式传感器电容,-,+,如果传感器是一只平板电容，则Cx=A/d，代入上式，可得,式中“-”号表示输出电压 的相位与电源电压反相。 运算放大器的输出电压与极板间距离 d 成线性关系。,可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性！,图5-13 二极管双T形交流电桥,它是利用电容充、放电原理构成的电路。,5.4.3 二极管双T形交流电桥,e是高频电源， 它提供了幅值为U的对称方波； VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管； 固定电阻R1=R2=R； C1、C2为传感器的两个差动电容。,1. 测量电路,2. 工作原理,（1） 当e为正半周时， VD1、VD2,C1很快被充至电压U，且电源U经R1以I1向负载RL供电。 考虑周期性C2 上电压不为0 ，C2经R2和RL放电，电流为I2。,在R（RRL）/（RRL）C2T/2时，电流i2的平均值I2可以写成下式：,根据一阶电路时域分析，可直接得到传感器电容C2的电流 i2 ：,（2） 当e为负半周时，VD2 、VD1 ,C2很快被充至电压U，电源U经R2以I2/向负载RL供电。 于此同时，电容C1经R1和RL放电，电流为I1。,同理，负半周时,故在负载RL上产生的电压在一个周期内的平均值为,传感器电容C1的平均电流：,则C1=C2，IC1=IC2， 此时在一个周期内通过RL上的平均电流为零。, 当传感器没有输入时, 若传感器输入不为0,式中， f 为电源频率。,则C1C2, IC1IC2, 此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零， 因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为,当RL已知，上式中,则式上式可改写为,当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。 对于变极距电容传感器， Uo与d之间为非线性； 对于变面积电容传感器， Uo与A之间为线性关系。,由于是差动式，降低了非线性误差。, 线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响； 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； 输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点； 适用于差动式电容式传感器。,（3）电路特点,5.4.4 环形二极管充放电法（阅读）,1. 测量电路,图5-14 环形二极管电容测量电路原理图,输入方波加在电桥的A点和地之间； Cx为被测电容； Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容； C为滤波电容； A为直流电流表。,环形二极管充放电法测量电容的基本原理是： 以一高频方波为信号源，通过一环形二极管电桥，对被测电容进行充放电，环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。 在设计时，由于方波脉冲宽度足以使电容器Cx和Cd充、放电过程在方波平顶部分结束，因此，电桥将发生如下的过程：,2. 工作原理,（1）当输入的方波由E1跃变到E2时,对Cx充电的电流如i1所示的方向；,VD1 、 VD3 ；VD2 、 VD4 ,电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充电到E2。,对Cd充电的电流如i3所示方向。,在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为,（2）当输入的方波由E2返回到E1时,VD1 、 VD3 ；VD2 、 VD4 ,在T2这段时间内由C点向A点流过的电荷量为,Cx、Cd放电，它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流所经过的路径分别为i2、 i4所示的方向。,设方波的频率f=1/T0(即每秒钟要发生的充放电过程的次数),则由C点流向A点的平均电流为,I2 = Cx f (E2-E1),而从A点流向C点的平均电流为,I3 = Cd f (E2-E1),流过此支路的瞬时电流的平均值为,令：Cx的初始值为C0，Cx为Cx的增量，则Cx=C0+Cx ， 调节Cd=C0则,可以看出，I 正比于Cx。,式中, E为方波的幅值，E=E2-E1。,5.4.5 脉冲宽度调制电路,图5-15 脉冲宽度调制电路图,Cx1、Cx2为差动式传感器的两个电容； A1、A2是两个比较器； Ur为其参考电压。,1. 测量电路,2. 工作原理,电路各点波形如图5-16（b）所示：,这种电路根据差动电容式传感器的电容C1和C2的大小控制直流电压的通断，所得方波与C1和C2有确定关系，称为脉冲宽度电路。,通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。,图5-16 脉冲宽度调制电路电压波形,Cx1=Cx2,Cx1 Cx2,uA，uB的直流分量分别为：,式中： U1触发器输出高电平； T1、T2Cx1、Cx2充电至Ur时所需时间。,当差动电容器Cx1=Cx2 时，T1=T2，U0=0； 当差动电容器Cx1Cx2 时， T1 T2，U0 0 。 此uAB电压经低通滤波器滤波后， 可获得Uo输出。,由电路知识可知,若取：R1=R2=R，将T1、T2代入式（5-38），得,在变极板距离的情况下可得,式中, d1、d2分别为Cx1、Cx2极板间距离。 当差动电容Cx1= Cx2=C0，即d1=d2=d0时，Uo=0； 若Cx1Cx2， 设Cx1 Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 则有,在变面积电容传感器中， 则有,结论：,（1）可见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，对元件无线性要求，这是十分可贵的性质！ （2）另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，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等； （3）经低通滤波器可输出较大的直流电压，调宽频率的变化对输出没影响，对输出矩形波的纯度要求也不高。,5.5 电容式传感器的应用,5.5.1 电容式压力传感器,图5-17 差动式电容压力传感器结构图,图5-17为差动电容式压力传感器的结构图。 图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时， 所形成的两个电容器的电容量，一个增大， 一个减小。 该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。,5.5.2 电容式加速度传感器,图5-18 差动式电容加速度传感器结构图,当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， 质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加