自动检测技术_电容式传感器

1、上一页下一页返 回上一页返 回下一页dSdSCr0 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。 S上一页返 回下一页变极距变极距( (）型型: (a)、(e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数变介电常数( )型型: （i）(l) 上一页返 回下一页dsCr0014.) 111(13020000000000ddddddCddCdAddACddCddsCCCr输出变化随输入变化呈非线性关系 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

2、回下一页baaabSC0aaCabbaaabC0baCaCkg0b kg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 CCC0011/ 1/将上式展开成泰勒级数得 CC 02311/CC0(/) 取值不能大，否则将降低灵敏度 mmm9.001.0)51101(上一页返 回下一页采用差动形式差动形式，并取两电容之差为输出量 CC21024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XCC1/() SCXc11 被测量与 成线性关系 无需满足上一页返 回下一页4.2电容传感器的等效电路LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce:ce

3、LjCjCj11CLCCce21两点注意：两点注意：工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（）相同。4.3电容式传感器的测量电路n电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。n变压器电桥n调频电路n运算放大器式电路n二极管双T形交流电桥n脉冲宽度调制电路ddUUddACddACCCCCCCCCUUCjZCjZZZZZUU2,21,120212121211202211211

4、20代入上式得则有器为变间隙式电容式传感设电容量为差动电容式传感器的式中代入得高频交流正弦波供电；电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。 2调频电路11LCf21特点：特点：n转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。n具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01m级位移变化量。n但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。3、运算放大器式电

5、路12运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）ixoUCCUdACxdAUCUio特点：特点：n解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题n要求Zi及放大倍数足够大n为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定n由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难由运算放大器工作原理可知 SuCuSCuCCuCjCjuxxx / ) ()/(1)/(100特点：特点：n解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题n要求Zi及放大倍数足够大n为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难 上一页返 回下一页4、二极管双T形交流电

6、桥正负半周分析：正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针； C2放电，电流逆时针负半周： C2充电，电流逆时针； C1放电，电流顺时针若C1 = C2，则电流抵消，若C1 C2，则RL有信号输出LTLLoRdttItITRIU)()(1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi几点说明：n该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。n当电容以PF级变化时，输出以V级变化。脉冲宽度调制电路nC1充电，VF 。当VF Vref时，D=0 Q=0，信号反转，Q=1。C1经D1放电。nC2充电，VG 。当VG Vref时，D=0 Q=0，Q

7、=1，再次反转。C2经D2放电。n设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0B双稳态触发器A1A2R1R2QQ-AFGDD-UrefD1D221211)(TTTTUuuuBAABrefUUUCRT11111lnrefUUUCRT11222lnC1C2uo1211212121UddddUCCCCuAB当d1 =d0 -d, d2 = d0+d时，有10UdduAB上一页返 回下一页上一页返 回下一页返 回上一页返 回下一页上一页返 回下一页上一页返 回下一页上一页返 回下一页边 缘 电 场均 匀 电 场33211、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

8、程度上起了补偿作用，但传感器灵敏度同时下降 上一页返 回下一页上一页返 回下一页上一页返 回上一页返 回下一页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rC0CPRgL上一页返 回下一页CeRg上一页返 回下一页reCeLRCjLjCje11LCCCe21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

9、LCkdcCkceee21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 回下一页上一页返 回下一页)(212101CCCCLLCfi上一页返 回下一页当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，)(21010CCCLfi当被测信号不为零时，c0，此时频率为 ffCCCCLfi001)(21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 上一页返 回下一页上一页返 回下一页U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL电源为正半周D1短路D2开路，

10、电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE 其特点为：信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共接地点。二极管V1的V2工作在伏安特性的线性段。输出电压较高电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。可以用作动态测量。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UERRRULLEiC2C2U0RRLR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: ITitTitTRRR RU CCCTCLLE22022021112dd上一页返 回下一页iURRRURRRRReCELLELLtRRRR RCLL22在R+(R

11、RL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成 故在负载RL上产生的电压为 URRR RIIRR RRR RUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为 ITRRRRU CCLLE1112 上一页返 回下一页上一页返 回下一页上一页返 回下一页电容式传感器的应用电容式传感器的应用电容器的容量受三个因素影响，即：极距电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面、相对面积积A 和极间介电常数和极间介电常数 。固定其中两个变。固定其中两个变 量，电容量，电容量量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被就是另一个变量的一元

12、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，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。测的目的。 a) a) 电桥电路电桥电路 电容式液位计电容式液位计棒状电极（金属管）外面包棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之起棒状电极与导电液体之间的电容变大。间的电容变大。 聚四氟乙烯外聚四氟乙烯外套套电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位液位限位传感器与液位变送器的区

13、别在于：它变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出平。但也可以选择输出为高电平的型号。为高电平的型号。液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：方法十分简单： 用手指压住设定按用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。发出报警信号和控制信号。智能

14、化液位限位传感器的设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮正常工作指示正常工作指示灯灯电源电源 指示灯指示灯超限灯超限灯设定按钮设定按钮硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为速度。其工作电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测量，加速度测量范围为数个范围为数个g g，可输出与，可输出与加速度成正比的电压也可加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度输出占空比正比于加速度的的PWM 脉冲。脉冲。

15、硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器图示加速度传感器以微细图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为速度。其工作电压为2.72.75.25V5.25V，加速度测量，加速度测量范围为数个范围为数个g g，可输出与，可输出与加速度成正比的电压也可加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度输出占空比正比于加速度的的PWM 脉冲。脉冲。Transitional Page利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构

16、。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容容C C1 1、C C2 2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。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。定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化。与加呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳

17、体内，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，所以频率响应可达质量很轻，所以频率响应可达1kHz1kHz以上，允许加速度范以上，允许加速度范围可达围可达10g 10g 以上以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。加速度传感器在汽车中的应用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，可以作为碰撞传加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感

18、器。当测得的负加速度值超过设定值时，感器。当测得的负加速度值超过设定值时， 微微处理器处理器据此判断发生了碰据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车撞，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。驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感器的假人装有传感器的假人气囊气囊汽车气囊的保护作用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 。 汽车气囊对驾驶员的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用电容式接近开关在液位测量控制中的使用电

19、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电容式接近开关在 液位物位测量控制中液位物位测量控制中的使用的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示示P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1 结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 上一页返 回下一页231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 上一页返 回下一页a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器 上一页返 回下一页电荷平衡式位移传感器电荷平衡式位移传感器 0RMMRCVCVRRMMCVCV可变电压VM与测头的位置成比例 已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。上一页返 回下一页上一页返 回下一页l长容栅长容栅l圆容栅圆容栅片状片状柱状柱状上一页下一页返 回上一页下一页返 回abnCmaxn动尺栅级片数 a , b栅极片长度和宽度上一