第6章+电容式传感器(改)

1、第6章电容式传感器,概述,电容式传感器,各种电容式传感器,概述,电容式传感器,电容式传感器典型应用,概述,电容式传感器,电容式传感器的特点是：小功率、高阻抗;本身发热影响小;电容器小几十几百微法，具有高输出阻抗;静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；可进行非接触测量。传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。,6.1电容式传感器的工作原理和结构,电容式传感器将被测非电量的变化转换为电容量变化。平板电容器的电容根据被测参数的变化分：变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器

2、(A)变介质型电容传感器(),变极距(）型:(a)、(e)变面积型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数()型:（i）(l),6.1.2变极距型电容传感器,6.1.2变极距型电容传感器基本特性,若d从d0d0-d,电容量C0C0+C,则有,当时,变极距式电容传感器有近似线性关系,此时灵敏度,为了获得高灵敏度,一般d0(0.1-1mm)较小,但d0过小易引起电容器击穿或短路。电容C与极距d成非线性关系,为了减小非线性误差,通常d变化范围此类电容传感器仅适于微小位移的测量(0.01um数百微米)。,6.1.2变极距型电容传感器基本特性,结论,怎么办呢？,一般变极距型电容式

3、传感器的起始电容在20100pF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,故在微位移测量中应用最广。,对于云母，,图6-3放置云母片的电容器,云母片的相对介电常数为空气的7倍,击穿电压远远高于空气的,因此可使极板之间的起始距离大大减小。,6.1.2变极距型电容传感器双介电层,6.1.2变极距型电容传感器灵敏度/非线性,1.灵敏度（变极距型）2.非线性,（忽略了线性及以上高次项）,泰勒展开,非线性误差：,目的：1.提高灵敏度2.减小非线性误差,非线性误差：,灵敏度：,6.1.2变极距型电容传感器差动平板式,6.1.3变面积型电容传感器,6.1.3变面积型电容传感器,图

4、6-5变面积型电容式传感器原理图,变面积型电容传感器的优点是:输出与输入成线性关系,但与变极距型相比,灵敏度低,适用于较大角位移量及直线位移的测量。,6.1.4变介质型电容式传感器,1)圆筒形电容器的电容为：,其中x为覆盖的长度,6.1.4变介质型电容式传感器,柱式,7,电容的增量正比于被测液位高度,可测量一种流体的液位高度,6-7,6.1.4变介质型电容式传感器,平板式,8,电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。,2)测量介质的厚度（介质可移动）,小结,电容传感器的等效电路(补充),L包括引线电缆电感和

5、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,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,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,计算有效电容Ce:,电容传感器的等效电路(补充),两点注意：1.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,工作频率应该选择低于谐振频率。2.电容式

6、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。,6.2电容式传感器的测量电路,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。常采用：1.调频电路2.运算放大器式电路3.脉冲宽度调制电路4、电桥电路,6.2.1调频电路,11,特点：转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01m级位移变化量。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。,6-9,6.2.2运算放大器式电路,运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大

7、倍数大（接近理想放大器）,特点：1.输出电压与极板距离d成正比2.要求Zi及放大倍数足够大3.为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定4.由于Cx变化小,所以该电路实现起来困难,图6-10运算放大器式电路原理图,6.2.3脉冲宽度调制电路,C1充电,VF。当VFUc时,Q=0,信号反转,Q=1。C1经D1放电。C2充电,VG。当VGUc时,Q=0，Q=1,再次反转。C2经D2放电。,C1和C2为差动电容,6.2.3脉冲宽度调制电路,uA,uB,uAB,t,t,t,U1,U1,U0,0,0,0,T1,0,Uc,uF,t,T2,0,Uc,uG,t,输出电压uAB经低通滤波后,便可得到一直

8、流输出电压Uo,值为A、B两点电压平均值uA与uB之差，即,式中:T1、T2分别为C1、C2充至Uc需要的时间,即A点和B点的脉冲宽度;U1为触发器输出的高电位。,6.2.3脉冲宽度调制电路,设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0,R1=R2,当d1=d0-d,d2=d0+d时,有,直流输出电压uAB与极距变化量成正比。,或,6.2.3脉冲宽度调制电路,对于差动式变极距型电容式传感器,对于差动式变面积型电容式传感器,(6-29),(6-30),6.2.4电桥电路,交流电桥的多种形式,测量电路:电桥电路,交流电桥的输出电压为：,输出与位移成理想线性关系,电容式传感器的优点：(1)输入能量小而灵敏

9、度高。(2)精度高达0.01%。(3)动态特型好，适合测量动态参数。(4)能量损耗小。(5)结构简单，环境适应性好(高温、辐射等)缺点：电缆分布电容影响大。集成电路、双屏蔽传输电缆等降低分布电容影响。广泛用于位移、压力、流量、液位等测量。,6.3电容式传感器的应用,电容式传感器的应用举例1.电容式料位计,用于水泥、化工、罐装等传感器静电容：,电容测深度、角度,电容式传感器的应用举例电容式压力传感器,结构：测量膜片（金属弹性膜片）动片；两个玻璃球面上镀有金属定片；膜片两侧左右两定中充满硅油。工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，硅油能将压差传递到测量膜片，,电容式传感器的应用举例

10、电容式压力传感器,当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：PHPL时，膜片PL向弯曲，C1C2；将这种电容变化通过电路转换为电压变化,电容式传感器的应用举例电容式压力传感器,电容式传感器,电容传感器盒膜结构片,6.3电容式传感器的应用（2）,加速度传感器,6-12,1,6.3电容式传感器的应用（3）,差动式电容测厚传感器,6.3电容式传感器的应用（3）,差动式电容测厚传感器,19,6.3电容式传感器的应用（4）,图6-13电容式传声器,6.3电容式传感器的应用（4）,电容式传声器,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计显示代表转速。设齿数为z,频率为f,则转速为,6.3电容式传感器的应用（5）,1齿轮2定级3电容式传感器4频率计,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面,使膜片产生位移。,6.3电容式传感器的应用（6）,6.3电容式传感器的应用（7）,电容式接近开