第3章-电容式传感器.ppt

第3章电容式传感器,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.1基本工作原理,1、平板电容器的工作原理,电容器的基本原理可以分为以下两种情况：,用两块金属平板作电极，可构成最简单的平板式电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为,极板间介质的介电常数,极板间相互覆盖面积,两极板间距离,真空的介电常数,介质的相对介电常数,对于空气介质,若单位为，d的单位为cm，C的单位为pF，则,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.1基本工作原理,由平板电容器原理可知，在三个参数中保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容量C改变。这就是电容式传感器的基本原理。,极板间介质的介电常数,极板间相互覆盖面积,两极板间距离,1、平板电容器的工作原理,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.1基本工作原理,2、同轴圆柱形电容器,由两个同心圆柱状极板构成同轴圆柱形电容器,两圆柱极介质的介电常数,h圆柱电容器高度,R外圆柱半径,r内圆柱半径,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,1、变面积（S）型,可以通过角位移和直线(x)位移的变化来改变两极板之间的覆盖面积S,角位移式,直线位移式,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,1、变面积（S）型,角位移式,改变一个角，则,线性关系,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,1、变面积（S）型,直线位移式（x）,当其中一极板移动距离x时，,线性关系,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,特点：,上述电容与角位移，与直线位移x均呈线性关系,上述电容器灵敏度K,其大小均与初始值有关,变化位移量（x或）不能太大，否则会产生非线性特性的边缘效应，因为边缘电场分布不均匀的缘故,上述电容器大多用来检测位移等参数,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,与调谐旋钮联动的是一个旋转式可变电容器,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,2、变介质介电常数型,如图所示，此电容器电容量相当于两个电容和串联。,平行板电容器,其中，为两极板间两种介质的厚度,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,2、变介质介电常数型,当介电常数或发生变化，则电容C随之而变。如果为空气介电常数，为待测体的介电常数，当待测体厚度不变时，此电容传感器可作为介电常数测量仪；若待测体介电常数不变时，可作为测厚仪使用。,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,2、变介质介电常数型,同轴圆柱状电容器,同心圆柱状极板1、2放入被测介质中，容器内介质的介电常数为，容器介质上面气体的介电常数为，当容器内液面变化时，两极板间电容量C就会发生变化。,总的电容C等于气体介质间的电容量和液体介质间电容量之和（并联）,气体介质间的电容量,h极板电极总高度,R、r两同心圆电极半径,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,2、变介质介电常数型,同轴圆柱状电容器,液体介质间的电容量,则总容量为：,令,则,传感器电容量C与液位高度成线性关系，可用来做液位的测量电容液面计,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,电容式液位传感器（液位计/料位计）,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,3、变极板间距（d）型,图中极板1固定不动，极板2为可动电极(即称动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化。,单极式平行板电容器,设动片2未动时极板间距为，初始电容量为，则,空气介电常数,当变化一个时，产生一个,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,3、变极板间距（d）型,单极式平行板电容器,当变化一个时，产生一个，则,那么，,分母进行泰勒级数展开,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,得,忽略高次项,结论,上述表明，在条件下，电容的变化量与极板间距变化量近似呈线性关系；,非线性误差与大小有关；,一般，相对应的,因此这种结构的电容传感器非线性误差较大，适用于微小位移的测量。,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,灵敏度,为了克服上述灵敏度K和非线性误差之间的矛盾，可采用差动式结构的电容器。,显然越小，灵敏度越高，但是非线性误差会增大，存在误差。,双板式差动电容器,两块定板和中间一块动板组成差动结构。,初始：动板在中间位置，则,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,设动板上移，则增加一个，减小一个,按泰勒级数展开得，,则,3.1电容式传感器的工作原理,3.1.2电容式传感器类型及其特点,则,差动输出为：,忽略高次项，整理得：,结论,上述差动式电容器灵敏度是原来的2倍关系，提高了一倍。,非线性误差,该数值减小了一个数量级。所以差动方式可以减小非线性误差，即系统误差,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的等效电路,则,传感器电容,包括电极间直流电阻和气隙中介质损耗的等效电阻，等效漏电阻,传感器各连线端间总电感,引线电阻、金属接线柱电阻及电容极板电阻之和。,等效阻抗：,考虑到,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的等效电路,则,等效电容,结论,电容器传感器等效电容量与有关，即电源频率变化引起传感器电容量变化。,电容器传感器等效电容量与有关，即引线长度变化也会引起传感器电容量变化，以上在实际测量时应该引起注意。,因此，电容传感器的标定和测量必须在同样条件下进行，即线路中导线实际长度等条件在测试时和标定时应该一致,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,1、作用和形式,作用：电容传感器产生的电容值一般十分微小(几皮法至几十皮法)，这样微小的电容不便直接显示、记录及传输。测量电路的作用就是将电容传感器产生的电容变化量转换成正比关系的电压、电流或频率信号。,形式测量电路的形式很多，目前常用典型线路有三种：,调制型：交流不平衡电桥（简称交流电桥），二极管环形检波器。,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,脉冲型：差动脉冲宽度调制电路。,运算放大器型：运算法测量电路。,（电容充放电电路）,2、交流不平衡电路分析,电容传感器阻抗,固定阻抗,电桥输出电压,电源电压（设电源内阻为零）,1）交流不平衡电桥是电容传感器最基本的一种测量电路,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,如同单臂桥的分析方法一样，得,设初始桥平衡输出,平衡条件：,当被测参数变化时，引起传感器阻抗产生一个变化，即,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,考虑忽略分母中因素后得,式中，,桥臂比（复数）,传感器相对变化量（实数）,桥臂系数（复数）,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,设：,桥臂比是复数形式,2）上述分析，知道电桥输出是一个交流值，且与桥臂系数有关，下面分析是如何影响电桥输出的,所以,其中，,复数的相角,复数的模值,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,桥臂系数是复数形式,所以,其中，,复数的相角,复数的模值（要提高输出，必须增大k值）,通过计算（将代入桥臂系数表达式中），得,可知，k和r均是的二元函数，可用作图来分析,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,如图所示，以为参变量作模k和a的关系曲线,结论：,当时，不论为何值,其中，,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,如图所示，以为参变量作相角r和a的关系曲线,结论：,当时，相位角,或时，相角,表示输出与电源E同相位,当时，相位角,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,时越大，值越大，桥输出值越大。所以欲使电桥电压灵敏度提高，在满足的条件下，增大两桥臂阻抗的幅角差值。,以上分析得出结论,时，桥输出与电源E同相位,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,3）常用各种形式交流电桥的电压灵敏度和相位,如图所示常用交流电桥的形式，根据上述原则，分析各种形式的电桥电压灵敏度以及相位情况。,图a，b中，a=1，则所以，且与电源同相位,3.2电容式传感器的测量电路,3.2.1电容传感器的测量电路,则,图c中，a=1，则所以，且与电源同相位,图d中，采用了差动式电容传感器，且a=1，所以且与电源同相位,3、二极管环形检波电路分析（又称相敏检波电路）,1）作用：环形检波电路的作用，其输出信号不仅能反映输入信号的大小，还能反映其相应的极性，下面我们来分析该电路的工作过程,3.2.1电容传感器的测量电路上述交流不平衡电桥作为电容传感器测量电路，其输出为交流信号，故不能判断输入传感器信号的极性，不能反映被测参数的变化方向。而只能表达输入信号的大小（或称被测参数的变化大小）所以必须还要经过相敏检波电路和低通滤波器，才能最后得到反映输入信号大小和极性的输出信号。,3.2电容式传感器的测量电路,2）电路的组成,振荡器原边线圈Tp付边线圈L1、L2,D1D4检波二极管,A1稳幅放大器,A2比例放大器,一对差动电容传感器,恒压、恒流源,电流转换器,3.2电容式传感器的测量电路,3）过程分析：,振荡器激励（交流正弦）,电压经变压器原边Tp加在副边L1和L2，感应产生正弦电压e，并通过（考虑电容的阻抗回路中的其它阻抗）产生的回路电流分别为,（其中为激励电源的角频率）,正弦电压e上半周时二极管D1、D4导通，D2、D3截至,则,原理图,3.2电容式传感器的测量电路,正弦电压e下半周时二极管D2、D3导通，D1、D4截至,则,放大器A1（稳幅放大器）A、B两端的输入电压,所以,原理图,3.2电容式传感器的测量电路,稳幅放大器A1的稳幅作用（稳定正弦电压e的幅值）,当正弦电压回路电流（放大器A1的输入信号）（放大器A1的输出信号）即振荡器的输出正弦电压最后放大器A1的输入变化信号稳定作用,通过上述的变化，可以起到正弦电压e的稳定作用。,原理图,3.2电容式传感器的测量电路,信号电流流经时，在分压，产生的输入信号电压（右左）,A2放大器的输入电压包括以下几个方面：,信号电压加在A2同相端；,调零电压加在A2反相端；,产生的固定电压加在A2同相端；,反馈电压反极性加在A2同相端，I为输出信号。,原理图,比例放大器A2的输入信号分析,3.2电容式传感器的测量电路,当（稳定时）,由,得,同时，,（1）式,（2）式,（1）式=（2）式,原理图,信号电压加在A2同相端；,3.2电容式传感器的测量电路,比例放大器A2的输入输出关系分析,知道A2放大器输入综合信号后（理想放大器），那么,（输出电流）,当差动电容传感器变化时：,原理图,3.2电容式传感器的测量电路,则,结论,差动电容器其输出电流I正比于（线性转换）；,调节，可改变比例放大系数，量程大小调节；,调节，起到调零作用；,调节，改变输出起始电流大小。,原理图,3.2电容式传感器的测量电路,4、差动脉冲宽度调制电路（又称电容充放电电路）,1）作用：同二极管式线路相似，将差动电容传感器的输出变化信号转换成有极性方向和大小输出的直流信号。,2）组成：,双稳态触发器,差动电容传感器电容,比较器,为参考电压,3.2电容式传感器的测量电路,3）过程分析,则：,上电后（接上电源）设双稳态触发器A端（Q端）高电平，则B端（端）低电平,3.2电容式传感器的测量电路,以上过程不断重复，则在双稳态触发器A、B两端各自产生一个宽度受电容大小变化的，宽度不等的方波脉冲，具体波形如图所示：,3.2电容式传感器的测量电路,当时，A、B端产生宽度相同的如图(a)，波形A、B两点平均电压；且,波形分析,充电时间,当时，A、B两端产生宽度不等的方波，如图(b)则A、B两点平均电压；且,充电时间,3.2电容式传感器的测量电路,直流输出,则,其中，为电容的充电时间,原理图,3.2电容式传感器的测量电路,同理可求：,3.2电容式传感器的测量电路,则,当差动电容变化：,3.2电容式传感器的测量电路,结论,测量电路输出具有线性输出特性；,输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可；,输出不需再加整流电路，其直流信号可表示传感器的信号大小和方向。,3.2电容式传感器的测量电路,3.3电容式传感器的误差分析,3.3.1影响因素,则,1、温度对传感器的影响,在设计和应用电容传感器时，还要考虑温度、电场边缘效应、寄生电容和分布电容等因素的影响；它们会造成传感器特性的不稳定，甚至会导致传感器无法工作。,温度变化（自身工作温度、环境温度变化）引起传感器结构尺寸的变化，引起电容介质介电常数的变化，从而引起传感器电容值的变化和波动，产生,结构尺寸：电容器极板材料的膨胀系数从而改变它的截面S和间隙d，引起微小的变化。,3.3电容式传感器的测量电路,3.3.1影响因素（续）,则,介质介电常数,其中,初始温度时的介质介电常数,变化温度后介质介电常数,介质的温度系数,变化温度,2、电容电场的边缘效应的影响,如图所示按理想状况，平板电容器电场均匀分布于两极板之间。实际上情况复杂的多，边缘电场的非均匀性将引起传感器灵敏度和非线性增加。,3.3电容式传感器的测量电路,3.3.2克服方法,则,所以采用以下克服方法：,增大初始电容值（增大S减小d），以降低边缘的影响成份,加装等位环，清除边缘效应，如图所示,等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电位，使电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。,3.3电容式传感器的测量电路,3.3.2克服方法（续）,则,3、寄生电容、分布电容的影响,寄生电容：电容极板与周围物体（元器件、人体等）之间产生的一个电容。,分布电容：电容引线与大地之间的电容联系。,以上附加电容改变了电容传感器的电容量而且其不稳定性导致传感器特性的不稳定，产生严重干扰。可采用以下方法消除克服：,3.3电容式传感器的测量电路,3.3.2克服方法（续）,则,克服方法：,静电屏蔽措施,引线采用屏蔽线且屏蔽线外层良好接地,即将电容传感器极板放置在金属壳体之内，并将壳体与大地相连。,屏蔽线本身电容量较大（每米可达几个皮法到几百皮法），当屏蔽线较长时，往往大于传感器的电容量，而且分布电容与传感器电容相并联，使传感器电容相对变化量大为降低，因此导致传感器灵敏度显著下降；另外电缆本身的电容量由于放置位置和形状不同而有较大变化，这将造成传感器特性不稳定。,3.3电容式传感器的测量电路,3.3.2克服方法（续）,则,采用如图所示的驱动电缆技术,即双层电缆屏蔽以克服电缆本身引起的电容的影响，其过程是使内层与芯线同电位，从而清除了芯线和内层之间的分布电容的影响，外层良好接地。,其内屏蔽层与信号传输线（即电缆芯线）通过增益为1的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。,外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。,3.4电容式传感器的应用,3.4.1电容式转速传感器,则,当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z,频率为f,则转速为:,3.4电容式传感器的应用,3.4.1电容式转速传感器,则,电动机转速测量,3.4电容式传感器的应用,3.4.1电容式转速传感器,则,各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置,3.4电容式传感器的应用,3.4.1电容式转速传