第6章 电容式传感器

08:31,1,第6章电容式传感器,6.1电容式传感器的工作原理和结构6.2电容式传感器的灵敏度及非线性6.3电容式传感器的等效电路6.4电容式传感器的测量电路6.5电容式传感器的应用,08:31,2,6.1电容式传感器的工作原理和结构,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,当被测参数变化使得S、d或发生变化时，电容量C也随之变化。电容式传感器可分为:变极距型、变面积型和变介电常数型三种。,08:31,3,电容式传感元件的各种结构形式,电容式传感元件的各种结构形式：,08:31,4,一、变极距型电容传感器,变极距型电容式传感器,08:31,5,当传感器的r和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为,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,一、变极距型电容传感器,08:31,6,电容量与极板间距离的关系,一、变极距型电容传感器,08:31,7,若d/d01时，则展成级数：,此时，C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。另外，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以大些，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。,08:31,8,提高击穿电压？,08:31,9,放置云母片的电容器,一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在2030pF之间，极板间距离在25200m的范围内。最大位移应小于间距的1/10，一般为0.1m级，故在微位移测量中应用最广。,08:31,10,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。,放置云母片的电容器电容：,08:31,11,3.2电容式传感器的灵敏度及非线性,*变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。变极距型电容传感器电容的相对变化量为：,当|d/d0|1时，按级数展开，可得,08:31,12,电容式传感器的灵敏度:输出电容的变化量C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：(变极距型平板电容传感器),电容传感器的灵敏度为：,说明：灵敏度与d0呈反比关系，即d0越小，灵敏度越高。,3.2电容式传感器的灵敏度及非线性,08:31,13,如果考虑线性项与二次项，则,3.2电容式传感器的灵敏度及非线性,08:31,14,差动平板式电容传感器结构图,差动平板式电容传感器结构图,08:31,15,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。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,3.2电容式传感器的灵敏度及非线性,08:31,16,按级数展开得,电容值总的变化量为,08:31,17,电容值相对变化量为：,在|d/d0|Cx2，即d1=d0-d,d2=d0+d,则有,3.4电容式传感器的测量电路,08:31,52,同样，在变面积电容传感器中，则有,由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高。经过低通放大器就有较大的直流输出。,3.4电容式传感器的测量电路,08:31,53,影响电容传感器精度的因素分析,1.温度的影响2.边缘效应3.寄生电容4.静电引力,08:31,54,(1)温度影响,环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面：温度对结构尺寸的影响：电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的测量误差。,08:31,55,（2）温度对介电常数的影响,随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数温度系数可达0.07/；若环境温度变化50，则将带来7的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。,08:31,56,以上分析各种电容式传感器时，忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度h与极距之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算,函数的数值通过查表可以得到。,3.边缘效应,08:31,57,边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一薄层金属作为极板。,3.边缘效应,08:31,58,4静电引力,电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。,08:31,59,5寄生电容,电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。,08:31,60,（1）驱动电缆法,它实际上是一种等电位屏蔽法。即：在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接人增益为1的驱动放大器。这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响；而内、外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输人阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。该方法的难处是，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出与输人的相移为零。,08:31,61,（1）驱动电缆,驱动电缆,08:31,62,08:31,63,有源屏蔽驱动电路:,将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压11地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。应用场合:经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。,08:31,64,(2)整体屏蔽技术,以差动电容传感器，配用电桥测量电路为例所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等)统一屏蔽起来；其关键在于正确选取接地点。接地点选在两平衡电阻、桥臂中间，与整体屏蔽共地。这样传感器公用极板与屏蔽之间的寄生电容同测量放大器的输入阻抗相并联，从而可将归算到放大器的输入电容中。,由于测量放大器的输入阻抗应具有极大的值，电容的并联也是不希望的，但它只是影响灵敏度而已。另两个寄生电容是并联在桥臂上，这影响电桥的初始平衡及总体灵敏度，但并不妨碍电桥的正确工作。因此，寄生参数对传感器电容的影响基本上被消除。整体屏蔽法是一种较好的方法；但将使总体结构复杂化。,08:31,65,(3)采用组合式与集成技术,一种方法是将测量电路的前置级或全部装在紧靠传感器处，缩短电缆；另一种方法是采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内；更进一步就是利用集成工艺，将传感器与调理等电路集成于同一芯片，构成集成电容式传感器。,08:31,66,随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显：(1)分辨力极高,可以测量0.01微米的绝对变化量和高达(C/C)=100%-200%的相对变化量，因此尤其适合微信息检测；(2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性(3）结构简单!不含有机材料或磁性材料，对环境(除高湿外)的适应性较强；下面介绍它的几种典型结构及其应用,3.5电容式传感器的应用,08:31,67,3.5电容式传感器的应用,差动式电容压力传感器结构图差动式电容加速度传感器结图,图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。,08:31,68,二、电容式加速度传感器,差动式电容加速度传感器结构图,08:31,69,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，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。,二、电容式加速度传感器,08:31,70,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,08:31,71,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,08:31,72,汽车气囊对驾驶员的保护作用,08:31,73,钻地炸弹利用加速度传感器实现延时起爆。,传感器安装位置,08:31,74,电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等，与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极，而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1+C2，如果带材的厚度发生变化，将引起电容量的变化，用交流电桥将电容的变化测出来，经过放大即可由电表指示测量结果。,三、电容测厚传感器,08:31,75,差动式电容测厚仪系统组成框图,差动式电容测厚传感器的测量原理框图如图所示。音频信号发生器产生的音频信号，接入变压器T的原边线圈，变压器副边的两个线圈作为测量电桥的两臂，电桥的另外两桥臂由标准电容C0和带材与极板形成的被测电容Cx(Cx=C1+C2)组成。电桥的输出电压经放大器放大后整流为直流，再经差动放大，即可用指示电表指示出带材厚度的变化。,08:31,76,四、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,08:31,77,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,08:31,78,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,08:31,79,五、电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。,08:31,80,全密封防水式,远距离式（大量程）,08:31,81,电容式接近开关在物位测量控制中的使用,08: