第3章 电容传感器new.ppt

30.05.2020,第三章电容式传感器,3.1电容式传感器的工作原理3.2电容式传感器主要性能3.3电容式传感器的特点和设计要点3.4电容式传感器等效电路3.5电容式传感器测量电路3.6电容式传感器的应用,下一页,返回,南京林业大学,南京林业大学,30.05.2020,3.1电容式传感器的工作原理,1.工作原理及类型2.变极距型电容传感器3.变面积型电容传感器4.变介电常数型电容式传感器,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,1.工作原理及类型,S极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数，；电容极板间介质的介电常数。,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,变极距(）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数()型:（i）(l),上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,2.变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能,差动结构也可提高灵敏度,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,平板式变面积型,b,a,a,bkg,减小、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,2.非线性,变极距型,将上式展开成泰勒级数得,取值不能大，否则将降低灵敏度,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,采用差动形式，并取两电容之差为输出量,差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍,如果采用容抗作为电容式传感器输出量,被测量与成线性关系,无需满足,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,3.3传感器的特点和设计要点,1.特点2.设计要点,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,1、特点,优点:1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）2.结构简单、适应性强3.动态响应好4.可以实现非接触测量、具有平均效应,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,动态响应好,极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。,返回,南京林业大学,30.05.2020,缺点：,1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响2、寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,2.设计要点,(1)减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能(2)消除和减小边缘效应(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰(4)尽可能采用差动式电容传感器,上一页,返回,下一页,低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应,南京林业大学,30.05.2020,(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能,选材、结构、加工工艺电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）电极支架：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为0）传感器密封，用以防尘、防潮采用差动结构、测量电路来减小温度等误差,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,(2)消除和减小边缘效应,危害：灵敏度降低产生非线性减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大易产生击穿并有可能限制测量范围,上一页,返回,下一页,什么是边缘效应？,南京林业大学,30.05.2020,等位环结构,带有等位环的平板电容传感器原理1、2电极3等位环,边缘效应引起的非线性与变极距型传感器原理上非线性恰好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但传感器灵敏度同时下降,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。,（a）屏蔽和接地（b）增加初始电容值，降低容抗。（c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。（d）尽可能一点接地，避免多点接地,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,(5)差动技术的运用,减小非线性误差提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响,上一页,返回,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,3.4电容式传感器等效电路,L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻ReRg,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,高频等效电路,电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中Ce=C0+Cp，而rer,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此时电容传感器的等效灵敏度为,当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。,上一页,返回,下一页,标定和测量必须在同条件下，电缆不能随意更改！,南京林业大学,30.05.2020,3.5电容式传感器测量电路,(1)调频电路(2)运算放大器电路(3)双T型电桥电路(4)脉宽调制电路,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,(1)调频电路,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，,当被测信号不为零时，c0，此时频率为,选择性好，具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强；特性稳定；能取得高电平的直流信号。,上一页,返回,下一页,思考：调频电路有何优点？,南京林业大学,30.05.2020,(2)运算放大器式电路,最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性,Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号,上一页,返回,下一页,运算放大器式电路原理图,南京林业大学,30.05.2020,由运算放大器工作原理可知,结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性我们假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=实际中仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,南京林业大学,30.05.2020,(3)二极管双T型电路,上一页,返回,下一页,电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE,南京林业大学,30.05.2020,若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下:,上一页,返回,下一页,在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成,南京林业大学,30.05.2020,故在负载RL上产生的电压为,同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为,上一页,返回,下一页,思考：该电路有何特点？,南京林业大学,30.05.2020,电路的特点:,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；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,(4)差动脉冲调宽电路,利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,上一页,返回,下一页,差动脉冲调宽电路原理图,比较器,放电回路1,放电回路2,南京林业大学,30.05.2020,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为,式中UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,C1、C2的充电时间,式中Ur触发器的参考电压,设R1=R2=R，则得,结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2和S1、S2,差动变极距型差动变面积型,特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器；效率高；不需要解调器；由于低通滤波器的作用，对输出矩形波纯度要求不高；具有理论上的线性特性。,上一页,返回,下一页,思考：该电路有何优点？,南京林业大学,30.05.2020,优点：,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对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高,上一页,返回,下一页,南京林业大学,30.05.2020,3.6电容式传感器的应用,电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A和极间介电常数。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。,上一页,返回,下一页,一、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,南京林业大学,30.05.2020,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。,南京林业大学,30.05.2020,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源指示灯,南京林业大学,30.05.2020,二、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,南京林业大学,30.05.2020,三、电容式油量表,机械式油量表：,在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。,南京林业大学,30.05.2020,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）。,南京林业大学,30.05.2020,该油量表可用于飞机油箱,南京林业大学,30.05.2020,四、电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、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。,南京林业大学,30.05.2020,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,南京林业大学,30.05.2020,非齐平式接近开关的安装,非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。,南京林业大学,30.05.2020,全密封防水式,远距离式（大量程）,南京林业大学,30.05.2020,电容接近开关的规格,南京林业大学,30.05.2020,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,南京林业大学,30.05.2020,电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用,南京林业大学,30.05.2020,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,南京林业大学,30.05.2020,五、电容式键盘,常规的键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。理论上这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小甚至可以忽略不计，也没有接触不良的隐患，具有噪音小