第4章电容式传感器

第4章电容式传感器 本章学习要求 1 掌握电容式传感器的原理 特点 类型 信号调理电路及其工程应用 2 了解容栅传感器的原理 类型及调理电路 3 了解电容集成传感器的原理 类型及电路 传感器与测试技术 第4章电容式传感器 4 1工作原理及结构类型 4 1 1工作原理 将被测量变化转换为电容量变化 实质是可变参数的电容器 4 1工作原理及结构类型 1 变极距式 4 1 2结构类型 当两极板相对运动时 由于 初始电容量 4 1 2结构类型 差动结构 4 1 2结构类型 2 变面积式 当动极板有角位移时 电容变化量 4 1 2结构类型 电容变化量 平面直线位移型 4 1 2结构类型 圆筒直线位移型 电容的变化量 4 1 2结构类型 3 变介电常数式 4 1 2结构类型 测介质厚度 测介质位置 4 1 2结构类型 4 2 1运算放大器电路 4 2信号调理电路 若Cx是变面积式电容传感器时 则将Cx与C交换位置即可 第4章电容式传感器 4 2 2电桥电路 差动半桥 4 2信号调理电路 变极距式 变面积式 电桥开路时输出电压为 uo与u成正比 故要求u波动极小 需要采用稳幅 稳频等措施 4 2 2电桥电路 4 2 3调频电路 振荡器的振荡频率为 初始状态 工作状态 输出是一个受被测信号调制的调频波 便于与计算机通讯 抗干扰能力强 可以实现遥测遥控 4 2信号调理电路 4 2 4双T形电路 1 当u U时 VD1导通 VD2截止 C1充电 C2放电 流经RL的电流为 u为对称方波的高频电源电压 VD1 VD2特性一致 R1 R2阻值相等 RL为负载电阻 4 2信号调理电路 RL两端的平均电压为 2 当u U时 VD1截止 VD2导通 C1放电 C2充电 流经RL的电流为 该电路具有结构简单 灵敏度高 动态响应快 过载能力强 能在恶劣环境 如高 低温及强辐射 中正常工作等优点 但要求u必须是稳幅稳频和高幅高频的对称方波 4 2 4双T形电路 4 2 5脉冲调宽电路 双稳态触发器采用负电平输入 输出由电压比较器控制 若A1输出为负电平时 则Q端为低电平 若A2输出为负电平 则Q端为高电平 4 2信号调理电路 设接通电源后UA U UB 0 UA通过R1对C1充电 C2通过VD2放电 当Uc Ur时A1翻转 双稳态稳态触发器也跟着翻转 UA 0 UB U UB通过R2对C2充电 C1通过VD1放电 当UD Ur时A2翻转 双稳态稳态触发器再一次翻转 周而复始重复上述过程 在A B点分别输出宽度受C1 C2调制的矩形脉冲 4 2 5脉冲调宽电路 1 初始状态C1 C2 C0 R1 R2 R UA和UB脉冲宽度相等 即UAB为对称方波 所以低通滤波器输出的平均电压Uo 0 各点波形如右图所示 4 2 5脉冲调宽电路 2 当C1 C2时 则 各点波形如右图所示 UA和UB脉冲宽度不相等 低通滤波器输出电压为 C1C2充电至Ur时所需时间 4 2 5脉冲调宽电路 4 3电容式传感器的应用 4 3 1电容式压差传感器 当p1 p2时 膜片处于中间位置 C1 C2 经双T形电路输出电压为零 当p1 p2 或p1 p2 时 膜片向压力小的一侧弯曲 C1 C2 则输出电压与成正比 第4章电容式传感器 4 3 2电容式加速度传感器 传感器外壳与被测振动体刚性连接 当传感器随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时 质量块相对壳体运动产生惯性力 在一定频率范围内 惯性力与振动加速度成正比 4 3电容式传感器的应用 4 3 3电容式应变传感器 当两个固定点受压应力时 拱弧曲率发生变化 电容量减小 4 3电容式传感器的应用 4 3 5电容式测厚传感器 在轧钢过程中带材厚度变化时 将引起电容量发生变化 相当于两个电容并联 从而实现带材厚度的在线检测 4 3电容式传感器的应用 产品 原理 液体压力作用在陶瓷膜片的表面 使膜片产生位移 陶瓷电容压力传感器 4 3电容式传感器的应用 产品 电容式液位传感器 液位计 料位计 原理 液面位置发生变化 两电极侵入液体中的高度发生变化 4 3电容式传感器的应用 电容式接近开关 测量头是电容器的一个极板 另一个极板是物体本身 当物体移向接近开关时 物体和接近开关的间距发生变化 从而使得与测头相连的电路状态也发生变化 4 3电容式传感器的应用 第4章电容式传感器 4 4容栅式传感器 4 4 1工作原理 长容栅由定栅尺和动栅尺组成 定栅尺上蚀刻反射电极 动栅尺上蚀刻发射电极和接收电极 各电极之间相互绝缘 在测量电路中将电容并联连接 最大电容量为 圆容栅由同轴安装的定子和转子组成 在内 外柱面内蚀刻一系列宽度相等的齿和槽 当转子旋转时 定子和转子齿面的相互覆盖面积呈周期性变化 容栅传感器相当于一系列变面积式电容传感器并联连接 由于多级电容的平均效应 使其抗干扰能力强 精度高 测量范围大 用于电子数显量具 数显机床标尺 测长机等 4 4容栅式传感器 4 4 2结构类型 1 直电极反射式 动栅尺上排列一系列尺寸相同 间距为l0的小发射电极片和接收电极 定栅尺上均匀排列一系列尺寸相同 间距为8l0的反射电极片 动栅尺和定栅尺的电极面相对 平行安装 4 4容栅式传感器 2 直电极透射式 由一个开有均匀间隔矩形窗口的金属带 动栅尺 和测量装置 定栅尺 组成 测量装置的一侧固定一系列小发射电极片 另一侧固定一个接收电极 当金属带随被测位移在测量装置中移动时 发射电极通过金属带上的矩形窗口与接收电极形成耦合电容 金属带起屏蔽作用 4 4容栅式传感器 3 反射式L形电极 与直电极反射式结构相同 定栅尺的反射电极为L形 其目的是增大反射电极的面积 增加耦合电容 提高传感器的灵敏度 增强抗干扰能力和提高稳定性 4 4容栅式传感器 4 4 3信号调理电路 1 调幅式 A B为动栅尺上的两组发射电极片 各由4个小极片组成 P为定栅尺上的反射电极片 构成差动电容CA CB 开关S1 S2由方波发生器的高低电平控制 轮流将直流参考电压 Ur和转换电路的直流输出电压Uo接入A B两组电极片 4 4容栅式传感器 1 当动栅尺处于位置a时 x 0 A组的小极片3 4和B组的小极片5 6与定栅尺的电极片P重合 此时CA CB 测量转换电路的输出电压Uo 0 2 当动栅尺向右移动一个小极片距离l0而处于位置b时 x 0 A组的小极片2 3 4和B组的小极片5与定栅尺的电极片P重合 此时CA CB 测量转换电路的输出电压Uo 0 4 4容栅式传感器 2 调相式 E R分别为动栅尺上的发射电极和接收电极 发射电极每8片为一组 分别通以8个幅值为Um 角频率为 相位依次相差的正弦激励电压 M S分别为定栅尺上的反射电极和接地的屏蔽电极 4 4容栅式传感器 1 当两个栅尺处于相对位置a时 每个发射电极片与反射电极片完全覆盖 所形成的电容量为C0 4 4容栅式传感器 2 当两个栅尺相对移动x而处于位置b时 每个发射电极片与反射电极片不完全覆盖 其电容量将发生变化 设反射电极片电压为uM 接收电极片电压为uR 反射电极片和接收电极片之间的电容量为CMR 接收电极片与地之间的电容量为CRG 则 4 4容栅式传感器 4 5电容式集成传感器 4 5 1结构类型与工作原理 1 加速度集成电容传感器 采用单晶硅表面加工技术和集成电路技术制成 上下两层玻璃表面的金属镀层为固定极板 硅悬臂梁自由端设置一质量块 上下表面沉积金属电极 形成可动极板 构成差动电容器 第4章电容式传感器 2 压力集成电容传感器 采用硅腐蚀技术 硅和玻璃的静电键合技术以及常规集成电路工艺技术制成 两个电容极板一个在玻璃上 另一个在硅膜片上 当硅膜片受到压力p作用时 硅膜片发生变形使电容器两个极板间的距离发生变化 从而引起电容量变化 4 5电容式集成传感器 4 5 2信号调理电路 1 加速度集成电容传感器的开关转换电路 由MOS开关 差动电容C1和C2 反相器A组成的采样保持电路和积分电路 开关S1和S2由方波发生器的脉冲控制 分别将C1和C2接参考电压Ur或接地 即轮流给C1和C2充电 C1和C2的电荷又转移给C3 S3为复位开关 4 5电容式集成传感器 2 压力集成电容传感器的四臂二极管桥路 1 在激励电压的前半周期 电荷从点B通过VD2对Cx充电 同时也从A点经过VD3对C0充电 2 在激励电压的后半周期 Cx上的电荷经VD1向A点放电 同时C0上的电荷也经VD4向B点放电 4 5电容式集成传感器 在一个周期内 电荷QBA从B点经Cx转移到A点 同时电荷QAB从A点经C0转移到B点 被测压力使Cx改变一个微小量 则 结果使 从而使A点和B点都有静电荷积累 导致两点的电位一个升高Uo 2 另一个减小Uo 2 反过来又减小了静电荷积累 直至达到动平衡 静电荷积累束 4 5电容式集成传感器 4 5 3特点及应用 体积小 输出阻抗小 可批量生产 重复性好 灵敏度高 工作温度范围宽 功耗低 寄生电容小等许多优点 但这种传感器如果不加以屏蔽 易受电磁干扰 加速度集成电容传感器已广泛应用于机械工具监控 工业振动监控 应急检测 汽车停车控制 汽车刹车控制 设备控制等 4 5电容式集成传感器 小结电容式传感器