传感技术及应用电容式传感器

1、第四章电容式传感器,第四章电容式传感器,电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构的参数之间的关系。,4-1电容式传感器的工作原理,工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量实质上相当于具有可变参数的电容器应用范围:位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量,第四章电容式传感器,两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，它的电容量为:,当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,分类示意图,第四章电容式传感器,第四章电容式传感器,变面积型电容传感器,设

2、两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动X，则面积S发生变化，电容量也改变。,（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数）,第四章电容式传感器,线位移,单组式,差动式,平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。,第四章电容式传感器,l：外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度r2，r1：外圆筒内半径与内圆柱外半径,可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；极板宽度a的大小影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。（因为以

3、上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。,第四章电容式传感器,被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。,3、变介电常数型电容传感器,（主要测量厚度、液位、介质的温度和湿度等）,第四章电容式传感器,可见：若厚度d保持不变，介电常数r改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；若r不变，可做成测厚传感器,若极板间距减小，则电容将增大C。,第四章电容式传感器,变极板间距型电容传感器,第四章电容式传感器,时，展开为级数形式,因,，忽略高次项,上式表明，在条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。,第四章电容式传感器,欲提高灵敏

4、度，应减小间隙，但受电容器击穿电压的限制；非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。为改善非线性，可以采用差动式。,第四章电容式传感器,4-2转换电路,转换线路是电容传感器的一个重要组成部分，其主要作用为：给电极提供一个合适的激励源，以便在形成的电场中实现能量变换；检测出电场能量的变化，形成可供使用的电信号；在可能条件下，实现传感器特性的线性化处理与信号变换。,第四章电容式传感器,电容传感器等效电路,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

5、电容；Rg是极间等效漏电阻。低频等效电路；高频等效电路。,（1）交流电桥,3.4测量电路,平衡条件为,将电容传感器接入电桥的一个臂，构成不平衡电桥。,为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、0.1，输出信号相移有0、90、180。,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小通常处于不平衡状态，需要采用自动平衡电桥输出阻抗高，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路,交流电桥

6、主要特点,（2）二极管双T形电路电路原理如图(a)。供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50的方波,C2,UE,(b),R,R,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,iC2,+,+,UE,(a),C1,C1,C2,UE,RL,RL,R,R,R,R,+,+,+,+,iC1,iC2,iC1,iC2,当UE为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,于是电容C1充电;在随后负半周出现时,电容C1上的电荷通过电阻R,负载电阻RL放电,流过RL的电流为。在负半周内,VD2导通、VD1截止,则电容C2充电;在随后出现正半周时,C2通过电阻R,负载电阻RL放电,流过RL的电流为。根据上面所给的条件,则

7、电流=,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。,3.4测量电路,同理，负半周时电容C1的平均电流:,在R（RRL）/（RRL）C2T/2时,电流iC2的平均值IC2可以写成下式：,故在负载RL上产生的电压为：,电容C2上的电流：,电路特点：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。,运算放大器式电路特点：能够克服变极距型电容式传感器的非线性。将Cx=代入上式得,-A,uo,C,Cx,u,运算放大器式电路

8、原理图,负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=，因此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。,3.4测量电路,调频电路,3.4测量电路,3.5主要性能和设计要点,（一）主要性能1、静态灵敏度被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。对于变极距型其静态灵敏度kg为,对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为：,变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为,结论：1.变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内（1cm至零

9、点几mm），而且最大应小于极板间距的1/51/10。只有当(/1时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为CC0(/)。取值不能大，否则将降低灵敏度。,2、非线性对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：,采用差动形式，并取两电容之差为输出量C：,2.差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。,第四章电容式传感器,电容传感器的特点,优点:,1、温度稳定性好：自身发热极小，电容值与电极材料无关，有利于选择温度系数低材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。2、结构简单,适应性强：可以做的非常小巧。能在高温，低温，强

10、辐射，强磁场等恶劣环境中工作。,3、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，固有频率能做的很高。动态响应好。可测量振动、瞬时压力等。4、可以实现非接触测量,具有平均效应：非接触测量回转工件的偏心、振动等参数时，由于电容具有平均效应，可以减小表面粗糙度对测量的影响。5、耗能低,第四章电容式传感器,缺点:,1、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几百皮法，输出阻抗很大，易受外界的干扰，对绝缘部分的要求较高（几十兆欧以上）。2、寄生电容影响大：由于电容传感器的初始电容值一般较小，而连接传感器的引线电缆电容（12m导线可达到800pF），电子线路杂散电容以及周围导体的“寄生电容”却较大。这些电容

11、一般是随机变化的，将使仪器工作不稳定，影响测量精度。因此，在设计和制作时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的影响。,第四章电容式传感器,1减小温度对电容式传感器的影响,保证绝缘材料的绝缘性能,设计要点,环境温度的改变将引起电容式变换器各零件几何尺寸的改变，从而导致电容极板间隙或面积发生改变，产生附加电容变化。这一点对于空间隙电容式传感器来说更显重要，因为初始间隙都很小，约几十微米至几百微米之间。温度变化使各零件尺寸变化，可能导致对本来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的特性温度误差。,第四章电容式传感器,为减小这种误差一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。如绝缘材料采用石英、陶

12、瓷等，金属材料选用低膨胀系数的镍铁合金。或极板直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。采用差动对称结构，并在测量线路中对温度误差加以补偿。,2消除和减小边缘效应(1).适当减小极间距;(2).可在结构上增设等位环来消除边缘效应。3消除和减小寄生电容的影响,（1）增加传感器原始电容值（2）注意传感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驱动电缆”技术（5）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法,原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外周不影响工作。,绝缘体,屏蔽壳,固定极筒,可动极筒,连杆,

13、导杆,接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图,（2）注意传感器的接地和屏蔽原理图,第四章电容式传感器,在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。,.采用“驱动电缆”技术,第四章电容式传感器,.采用运算放大器法,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。,u0,与传感器电容相并联的为等效电容CP/（1+A）,.整体屏蔽,-A,C,Cx,u,C1,C2,CP1,CP2,Z3,Z4,-A,四防止和减小外界干扰,第四章

14、电容式传感器,注意传感器的接地和屏蔽增加原始电容值，降低容抗导线分布合理尽可能一点接地尽量采用差动式电容传感器,电容式位移传感器,第四章电容式传感器,电容式传感器的应用,该传感器是一种非接触式的电容位移传感器；两个传感器板形成一个平行板电容器；纳米分辨率；零磁滞。应用领域：压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。特点：量程201250m；分辨率0.1nm；零磁滞；线性最高0.02%；频带可调：505000Hz；灵敏度可调；真空兼容选项；,第四章电容式传感器,英国超精密电容位移传感器单极性ZCS1100和双极性ZNXsensor超精密电容传感器，可应用：压电微位

15、移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。ZCS1100超精密电容位移传感器特点：纳米级分辨率；线性0.08%；灵敏度可调；量程：240m；线性：0.08%；分辨率：0.1nm频带：35KHZ；,第四章电容式传感器,总电容C=C1+C2，带材厚度发生变化时，C变化，带材的振动不影响测量精度。,第四章电容式传感器,二、电容式测厚仪,第四章电容式传感器,测量电路可装于孔中，减小体积。此类电子秤，对接触面无要求，总误差较小。,荷重传感器（电容式电子秤）,第四章电容式传感器,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

16、间的电容变大。,聚四氟乙烯外套,第四章电容式传感器,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。,第四章电容式传感器,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,第四章电容式传感器,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,第四章电容式传感器,硅微加工加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技

17、术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。,第四章电容式传感器,微加工三轴加速度传感器,技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：1%,第四章电容式传感器,硅微加工加速度传感器原理,1加速度测试单元2信号处理电路3衬底4底层多晶硅（下电极）5多晶硅悬臂梁6顶层多晶硅（上电极）,第四章电容式传感器,当它感受到上下振动时，C1

18、、C2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C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，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。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。,第四章电容式传感器,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,第四章电容式传

19、感器,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。,第四章电容式传感器,利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,第四章电容式传感器,湿敏电容,利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。,第四章电容式传感器,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,第四章电容式传感器,湿敏电容模块及传感器外形,第四章电容式传感器,湿敏电容传感器的安装使用,在野外的使用,带报警器的家庭使用型,第四章电容式传

20、感器,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,第四章电容式传感器,七、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。,第四章电容式传感器,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）。,第四章电容式传感器,该油量表可用于飞机油箱,第四章电容式传感器,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。,检测原理：在高频振荡型