第五章电容式传感器.ppt

第五章电容式传感器 绪论 5 1电容式传感器的工作原理及形式5 2电容式传感器的等效电路及特性5 3电容式传感器的信号变换电路5 4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 绪论1 电容器是电子技术的三大无源元件之一 利用电容器的原理 将非电量转化为电容量 进而实现非电量到电量的转化 在1920 1925年就有人利用电容传感器成功地测量了压力 位移 重量 温度 但实验室的结果应用到工业上有许多具体困难 因此 电容式传感器在几十年内相对于电阻式发展缓慢 但随着新材料 新工艺 新电路的开发 其中一些缺点逐渐得到克服 应用也越来越广泛 目前 电容传感器已在位移 厚度 物位 温度 振动 转速 流量及成份分析中得到广泛应用 基本原理 绪论2 优点 测量范围大 灵敏度高 结构简单 适应性强 动态响应时间短 易实现非接触测量等 由于材料 工艺 特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平 因此寄生电容的影响得到较好地解决 使电容式传感器的优点得以充分发挥 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 电容传感器转换电路被测量电容值变化电信号非电量C电量 5 1电容式传感器的工作原理及形式 5 1 1工作原理 5 1 2变极距型电容式传感器 5 1 3变极板面积型电容传感器 5 1 4变介电常数型电容传感器 5 1电容式传感器的工作原理及形式1 5 1 1工作原理 1 平行板电容器 当平行板的间距d远小于平行板的尺寸 半径 长和宽等 时 对精度要求不是特别严格的条件下 边缘效应即可忽略 忽略了边缘效应 2 同心圆筒形电容器 忽略了边缘效应 L R r 在上述两种电容器中 决定其容量大小的诸多参数之一在待测对象的作用发生变化 其电容量将随之改变 这就是电容式传感器的物理基础 对于平行板电容器可以变化的参数有 A d等 对于同心圆筒形电容器可以变化的参数有 L r R等 三种基本类型 变极距 变间隙 d 型变面积型 A 型变介电常数 型 5 1电容式传感器的工作原理及形式2 当极距d0 d1 d0 d时 则电容量C0 C1 然而 d0受介质的绝缘强度限制 空气 约3KV mm 不可太小 通常 d在25 200 m之间 d d0 0 1 非线性误差不可太大 利用 d C的特性 可以测量微小位移或厚度 5 1电容式传感器的工作原理及形式3 5 1 2变极距型电容式传感器 平行板电容器式 5 1电容式传感器的工作原理及形式4举例 5 1电容式传感器的工作原理及形式5举例 5 1电容式传感器的工作原理及形式6 5 1 3变极板面积型电容传感器 电容 相对变化 灵敏度 角位移传感器模型 两半圆形板极 定板极和动板极 的间距为d 面积均为A 可绕同圆心转动 其夹角为 C1 C 与 角位移 成线性关系 动极板 平板电容式角位移传感器 定极板 5 1电容式传感器的工作原理及形式6举例 同心圆筒形线位移电容式传感器模型 如右图 初始电容C0 当内筒上移为a时 内外筒间的电容C1为 定极板 5 1电容式传感器的工作原理及形式7举例 5 1电容式传感器的工作原理及形式85 1 4变介电常数型电容传感器 模型 如右图 这种电容可以看成是CA CB两个电容的并联 设板极宽度为b则 C与a成线性关系 5 1电容式传感器的工作原理及形式9举例 若忽略边缘效应 圆筒式液位传感器如下图 传感器的电容量与被液位的关系为 液位传感器 h C1 C C2 可见 传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系 2r1 2r2 hx 5 1电容式传感器的工作原理及形式10举例 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 5 2电容式传感器的等效电路及特性 5 2 1电容式传感器的等效电路 5 2 2电容式传感器的几个典型特点 5 2 3边缘效应及修正 5 2电容式传感器的等效电路及特性5 2 1电容式传感器的等效电路 图3 9电容式传感器的等效电路 RP 并联损耗电阻 板极间的漏电及介质损耗 RS 串联损耗电阻 引线电阻及高频驱肤效应 L 分布电感C 传感器电容 在RP RS忽略时 传感器的等效电容Ce由 容抗感抗 1 高阻抗直流电阻趋于无穷大 交流阻抗1 j C 由于C一般较小 当频率 不太高时交流阻也很大 2 小功率视在功率PC UI U2 C 由于C很小 则在频率 不太高时PC也很小 3 存在静电吸引力由于板极间距很小 所以静电力就比较明显 特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差 4 测量回路通常要用交流回路 5 2电容式传感器的等效电路及特性5 2 2电容式传感器的几个典型特点 5 2电容式传感器的等效电路及特性5 2 3边缘效应及修正 d 平行板电容器 电力线 边缘效应 实际电容量 修正方法 使用保护环 5 3电容式传感器的信号变换电路 5 3 1交流不平衡电桥 5 3 2运算放大器电路 5 3电容式传感器的信号变换电路 电容传感器的电容量很小 需要一些信号调节电路将微小电容的变化量转换成与其成正比的电压电流的频率 可显示记录 传输 这些电路通常是运算放大器式电路 电桥电路 调频电路 谐振电路 二极管T型网络 脉动宽度调制电路 5 3电容式传感器的信号变换电路5 3 1交流不平衡电桥 对于差动电桥 5 3电容式传感器的信号变换电路5 3 2运算放大器电路 反相比例放大器 5 4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施 5 4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施1 在设计传感器过程中 在所要求量程 温度和压力等范围内 应尽量考虑影响传感器精度的因素 并提高精度所要采取的一些措施 减小温度对结构尺寸的影响温度会造成结构尺寸改变 从而改变C 产生温度误差 所以适温度系数小的材料减小温度对介质的介电常数影响温度会使 改变 改变C 不能完全消除 可补偿后处理电路 减小漏电阻的影响漏电阻影响灵敏度下降 适绝缘性好的材料作支架 5 4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施2 减小边缘效应和寄生电容影响边缘效应和寄生电容使传感器产生非线性 降低灵敏度 可采取措施为 A 缩短传感器与测量电路距离 或做成一体或集成化B 用驱动电缆法C 整体屏蔽法 5 4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施3 A 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 寄生电容大为减小而且易固定不变 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 B 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 如图 5 4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施4B 驱动电缆 外屏蔽层接大地或接仪器地 用来防止外界电场的干扰 内外屏蔽层之间的电容是1 1放大器的负载 1 1放大器是一个输入阻抗要求很高 具有容性负载 放大倍数为1 准确度要求达1 10000 的同相 要求相移为零 放大器 因此 驱动电缆 技术对1 1放大器要求很高 电路复杂 但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时 也能正常工作 1 1 测量电路前置级 外屏蔽层 内屏蔽层 芯线 传感器 驱动电缆 技术原理图 当电容式传感器的初始电容值很大 几百 F 时 只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆 电缆可以长达10m 仪器仍能正常工作 5 4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施5 C 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 下图是差动电容式传感器交流电桥所采用的整体屏蔽系统 屏蔽层接地点选择在两固定辅助阻抗臂Z3和Z4中间 使电缆芯线与其屏蔽