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第4章电容式传感器CapacitiveSensors 绪论电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件 将被测物理量的变化转换为电容量的变化 特点 1 小功率 高阻抗 2 小的静电引力和良好的动态特性 3 本身发热影响小 4 可进行非接触测量 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 4 1电容式传感器的工作原理和特性 4 1 1工作原理及类型 电容式传感器由敏感元件和转换元件为一体的电容量可变的电容器和测量电路组成 其变量间的转换关系原理如图所示 可见 在S d 三个参量中 改变其中任意一个量 均可使电容量C改变 也就是说 如果被检测参数 如位移 压力 液位等 的变化引起S d 三个参量中之一发生变化 就可利用相应的电容量的改变实现参数测量 据此 电容式传感器可分为以下三大类 1 极距变化型电容传感器 2 面积变化型电容传感器 3 介质变化型电容传感器 4 1 2电容传感器特性分析 1 变极距型电容传感器 设初始电容为 当间隙d0减小 d时 则电容量增大 C 则 电容的相对变化为 当时 将上式按泰勒级数展开 得 可见 电容C的相对变化与位移之间呈现的是一种非线性关系 在误差允许范围内通过略去高次项得到其近似的线性关系 电容传感器的静态灵敏度为 灵敏度随极板间距的减小而增大 如果只考虑二次非线性项 忽略其它高次项 则得非线性误差 由以上分析可知 变极距型电容式传感器只有在 d d0很小时 才有近似的线性输出 C d d0 d d C1 C2 C1 C2 如图 极距变化相同值 d所对应的电容变化量不同 非线性随极板间距的减小而增大 为了提高灵敏度和减小非线性 以及克服某些外界条件如电源电压 环境温度变化的影响 常采用差动式的电容传感器 其原理结构如图所示 工作时差动电容器总电容变化为 当时 将上式按泰勒级数展开 得 略去非线性高次项 得 变极距差动电容式传感器的灵敏度K 为 变极距差动电容传感器的非线性误差 L近似为 可见 电容式传感器做成差动式结构后 非线性误差大大降低了 而灵敏度比单极距电容传感器提高了一倍 与此同时 差动式电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响 并有效的改善由于环境影响所造成的误差 2 变面积的电容式传感器 1 用于线位移测量的电容式传感器 当动极板移动后 极板相对有效面积发生变化 对应的电容值为 变面积型电容传感器中 平板形结构对极距变化特别敏感 测量精度受到影响 而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小 成为实际中最常采用的结构 其电容计算式为 当重叠长度x变化时 电容量变化为 灵敏度为 可见 其输出与输入成线性关系 灵敏度是常数 但与极板变化型相比 圆柱式电容传感器灵敏度较低 但其测量范围更大 2 用于角位移测量的电容式传感器 当动片有一角位移 时 两极板间的覆盖面积就改变 从而改变了电容量 当转动 角时 当 0时 灵敏度 角位移式电容传感器的输出特性是线性的 灵敏度K为常数 3 变介质型电容式传感器 图示同轴圆柱形电容器的初始电容为 测量时 电容器的介质一部分是被测液位的液体 一部分是空气 设C1为液体有效高度hx形成的电容 C2为空气高度 h hx 形成的电容 则 由于C1和C2为并联 所以总电容为 可见 电容C理论上与液面高度hx成线性关系 只要测出传感器电容C的大小 就可得到液位高度 另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器结构如图 设电容器极板面积为S 间隙为a 当有一厚度为d 相对介电常数为 r的固体介质通过极板间隙 相当于电容串联 因此电容器的电容值为 1 若改变固体介质的相对介电常数 则有电容量的相对变化为 2 若传感器保持 r不变 改变介质厚度 则可用于测量介质厚度变化 此时 3 若被测介质充满两极板间 则d a 此时初始电容为 4 2电容式传感器的测量电路 4 2 1调频测量电路 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 当被测信号为零时 C 0 振荡器有一个固有振荡频率f0 即 4 2 2交流电桥测量电路 变压器电桥具有使用元件最少 桥路内阻最小的特点 电桥输出电压为 Cx C0Ix uia I0b K u0 4 2 3运算放大器式测量电路 思考题 这种测量电路的使用限制条件 4 2 4二极管双T型交流电桥 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R1 负载电阻RL放电 流过RL的电流为I1 UE在负半周内 D2导通 D1截止 则电容C2充电 在随后出现正半周时 C2通过电阻R2 负载电阻RL放电 流过RL的电流为I2 根据上面所给的条件 则电流I1 I2 且方向相反 在一个周期内流过RL的平均电流为零 若将二极管理想化 当电源为正半周时 电路可等效成一阶电路 当供电电压是幅值为 UE 周期为T 占空比为50 的方波 可直接得到流过电容C2的电流iC2 正半周电流iC2的平均值IC2可以写成 同理 可得负半周时流过电容C1的平均电流IC1为 故在负载RL上产生的电压为 表明 传感器的输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关 而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关 当电源参数确定后 输出电压只是电容C1和C2的函数 4 3电容式传感器的应用 1 电容式接近开关 电容式接近开关在液位测量控制中的使用 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示 图示为电容开关在工程中的一个应用 要求对某个工件进行加工 工件用夹具固定在移动工作台上 工作台由一个主电机拖动 作来回往复运动 刀具作旋转运动 现用两个电容开关来决定工作台何时换向 当 A 号传感器有输出信号时 使主电机停止反转 同时 接通其正转电路 从而使工作台向右运动 当 B 号传感器有输出信号时 使主电机停止正转 同时 接通其反转电路 从而使工作台向左运动 这样 就实现了工作台的行程限位 2 电容式油量表 当油箱中注满油时 液位上升 指针停留在转角为 m处 当油箱中的油位降低时 电容传感器的电容量Cx减小 电桥失去平衡 伺服电动机反转 指针逆时针偏转 示值减小 同时带动RP的滑动臂移动 当RP阻值达到一定值时 电桥又达到新的平衡状态 伺服电动机停转 指针停留在新的位置 x处 电容式液位计 棒状电极 金属管 外面包裹聚四氟乙烯套管 当被测液体的液面上升时 引起棒状电极与导电液体之间的电容变大 聚四氟乙烯外套 金属管 电极板 导电液体 电极板 湿敏电容模块及传感器外形 多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形 式中 n 动尺栅极片数 a b 栅极片长度和宽度 容栅传感器的最小电容量理论上为零 实际上为固定电容C0 为容栅固有电容 当动尺沿x方向平行于定尺不断移动时 每对电容的相对遮盖长度a将由大到小 由小到大地周期性变化 电容量值也随之相应周期变化 如图所示 经电路处理后 则可测得线位移值 2 圆形容栅传感器 片状圆容栅 3 筒形容栅传感器 柱状圆容栅 筒形容栅传感器由两个套在一起的同轴圆筒组成 电极镀在圆筒上 可实现长度的测量 柱状圆容栅的结构原理图如图所示 图示加速度传感器以微细加工技术为基础 既能测量交变加速度 振动 也可测量惯性力或重力加速度 其工作电压为2 7 5 25V 加速度测量范围为数个g 可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲 微加工三轴加速度传感器 技术指标 灵敏度 500mV g 量程 10g 频率范围 0 5 2000Hz 安装谐振点 8kHz 分辨力 0 00004g 重量 200g 安装螺纹 M5mm 线性误差 1 硅微加工加速度传感器原理 1 加速度测试单元 2 信号处理电路 3 衬底 4 底层多晶硅 下电极 5 多晶硅悬臂梁 6 顶层多晶硅 上电极 利用微电子加工技术 可以将一块多晶硅加工成多层结构 在硅衬底上 制造出三个多晶硅电极 组成差动电容C1 C2 图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动 中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片 其左端固定在衬底上 所以相当于悬臂梁 当它感受到上下振动时 C1 C2呈差动变化 与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将 C转换成直流输出电压 它的激励源也做在同一壳体内 所以集成度很高 由于硅的弹性滞后很小 且悬臂梁的质量很轻 所以频率响应可达1kHz以上 允许加速度范围可达10g以上 如果在壳体内的三个相互垂直方