传感器课件4章 电容式传感器d

1、第四章电容式传感器4.1工作原理、结构和特性4.2应用中的问题和改进措施4.3测量电路4.4电容式传感器及其应用电容式传感器将非电量的变化转化为电容的变化。结构简单，分辨率高，非接触测量，能在高温、辐射和强振动等恶劣环境下工作。微机械集成电容传感器将成为一种有前途的传感器。4.1、极板的工作原理、结构特点、相对覆盖面积；板块之间的距离；相对介电常数；0真空介电常数；电容器极板间电介质的介电常数。4.1.1可变极距电容传感器，(a)、(e)可变面积(a)，(b)、(c)、(d)、(f)、(g)(h)可变介电常数()，3360然后将上述公式用级数展开，灵敏度s为：省略高阶(非线性)项，可获得近似线

2、性关系：(1)只有当/0非常小时(小测量范围，10%)可变极距电容传感器才有近似线性输出；(2)灵敏度与初始极距的平方成反比，因此可以通过减小0来提高灵敏度。例如，电容压力传感器通常取0=0.10.2毫米，C0在20100pF之间，可以测量小到0.01米的位移。考虑线性项和二次项，相对非线性误差为：从ef的表达式可以看出，0的减小将导致非线性误差的增大；太小也可能导致电容器击穿或短路。因此，具有高介电常数的材料(云母、塑料薄膜等。)可以用作板之间的介质。差动结构，移动板放置在两个固定板之间。在初始位置，1=2=0，两侧的初始电容相等。当移动板向上移动时，电容的总相对变化为33，360，并且省略

3、了高阶项，即33，360。此时，相对非线性误差为33，360。4.1.2当移动板相对于固定板移动L时，可变面积电容传感器的电容是线性的。在上一页，返回到下一页，电容的相对变化是33，360当=0时，当为0时，传感器电容C和角位移之间存在线性关系。上一页，返回，下一页，如果电介质1是空气，当L=0时，传感器的初始电容为：电容的相对变化为：电容的变化与电介质运动L成线性关系，4.1.3可变介电常数电容传感器，初始电容。下一页，电容式液位传感器，4.2应用中存在的问题及改进措施4.2.1等效电路，如果电容式传感器工作在高温、高湿和高频激励条件下，其附加损耗和电效应不可忽略，其等效电路如图所示。图中，

4、C传感器电容、Rp低频损耗并联电阻，包括极板间的泄漏和介质损耗；Rs在高湿度、高温和高频激励下的串联损耗电阻，包括电线、板和金属支架的损耗电阻；l电容和引线电感。阴极保护的寄生电容。可以看出，在实际应用中，特别是在高频激励下，有必要考虑L的存在，这将改变传感器的有效电容，引起传感器有效灵敏度的变化(修改P103公式4-22)。在这种情况下，无论何时改变激励频率或更换传输电缆，都必须重新校准测量系统。4.2.2边缘效应，上述对各种电容式传感器的分析也忽略了边缘效应的影响。事实上，当板厚h与极距的比值较大时，边缘效应的影响是不可忽视的。此时，极板半径为R的变极距电容式传感器的电容值应根据以下公式计

5、算：边缘效应不仅降低了电容式传感器的灵敏度，还会产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带保护环的结构，如图所示。等电位环结构，具有等电位环1、2个电极和3个等电位环的平板电容传感器的原理，上一页、后一页、下一页、3、2、保护环3和固定板2是同心且电绝缘的，它们之间的间隙越小越好，并始终保持等电位，从而保证中间工作区场强分布均匀，克服边缘效应的影响。为了减小电极板的厚度，通常不使用整个金属板作为电极板，而是用非金属材料如应时或陶瓷蒸汽涂覆一薄层金属。4.2.3由于静电场，静电引力或力矩作用在静电引力电容式传感器的两个极板之间。静电引力的大小与工作电压、介电常数和电极之间的距离有关。通常，这

6、种静电引力非常小，但是当使用具有非常小驱动力的弹性敏感元件时，应该考虑由静电引力引起的测量误差。消除寄生电容的影响是电容式传感器实际应用的关键。几种常见的方法。4.2.4寄生电容电容式传感器受结构和尺寸的限制，其电容非常小(几皮法到几十皮法)，属于低功耗、高阻抗器件，非常容易受到外界干扰，特别是与传感器电容并联的、比其大几倍、几十倍的随机电缆寄生电容的干扰，严重影响传感器的输出。温度对结构尺寸的影响。电容式传感器由于其间隙小，对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各部分材料的线膨胀系数不匹配的情况下，温度变化会导致极隙的相对变化较大，从而导致较大的温度误差。2.温度对介质的影响，温度对介电常数的影

7、响因介质不同而不同，空气和云母的介电常数温度系数近似为零；然而，一些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等。具有较大的介电常数温度系数。例如，煤油的介电常数温度系数可以达到0.07/；如果环境温度变化50，就会带来7的温度误差，因此在使用这种介质时，必须注意温度变化引起的误差。4.3测量电路，4.3.1耦合电感电桥4.3.2双t型电桥电路4.3.3脉宽调制电路4.3.4运算放大器电路4.3.5频率调制电路，前一页，后一页，下一页，4.3.2二极管双t型电路，前一页，后一页，后一页在一个周期内，通过负载的电流是两个电容的放电电流之差。如果两个电容不相等，负载电流在一个周期内不为零。4.3.3差分脉宽调

8、制电路，利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲宽度随传感器电容的变化而变化，通过低通滤波器可以得到测量变化对应的DC信号，前一页，后一页，前一页，后一页，差分脉宽调制电路原理图，前一页，后一页，下一页，uAB低T1，T2分别是C1和C2的充电时间；U1触发输出的高电位。前一页，后一页，下一页，C1和C2的充电时间，公式中Ur触发器的参考电压，假设R1=R2=R，得出输出d C电压与传感器的两个电容之差成正比，差分变极距型差分变面积型，特性：差分脉宽调制电路可应用于任何差分电容传感器，并具有理论线性特性，前一页，后一页，下一页其高电压稳定性不需要频率稳定和波形纯度，也不需要相敏检测和解调。它可以通

9、过低通滤波器输出大的DC电压，并且不需要输出高纯度的矩形波。上一页、下一页、4.3.4运算放大器电路的最大特点：它能克服变极距电容传感器的非线性，Cx是传感器电容C是固定的。上一页，下一页，运算放大器的电路原理图，从运算放大器的工作原理可以看出，变极距电容式传感器的线性前提在原理上是有保证的：假设放大器开环放大系数为A=，输入阻抗为Zi=，仍然存在一定的非线性误差，但一般情况下A和Zi都足够大，所以这个误差很小。上一页，返回，下一页，4.3.5调频电路，上一页，返回，下一页，当被测信号为零，C=0时，振荡器有一个自然振荡频率f0，当被测信号不为零，c0，此时，频率为0.01米，具有很高的灵敏度

10、，可以用数字仪器方便地测量。(1)分辨率极高，可测量低至10-7的电容值或0.01微米的绝对变化，相对变化高达(C/C)=100200%，特别适用于微信息检测；(2)移动杆质量小，无需接触即可测量；其自身功耗、发热和迟滞极小，可获得高静态精度和良好的动态特性。(3)结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境适应性强(高湿度除外)；强大的过载能力。电容式差压传感器，结构简单，灵敏度高，响应速度快(约100毫秒)，可测量微差压(00.75帕)、真空或微绝对压力。当测量真空或微绝对压力时，有必要密封隔膜的一侧，并将其泵入高真空(10-5Pa)。它能是哪种电容式传感器？上一页，下一页，1，5固定极板2外

11、壳3簧片4质量块6绝缘体A和B表面是高精度、宽频率响应范围和大测量范围的可移动极板，可测量非常高的加速度。电容式加速度传感器，前一页，后一页，下一页，a)测量振幅，b)测量轴的旋转精度和轴向偏转，应用电容式位移传感器，前一页VR是一个恒定的方波信号，而虚拟机和VR的逆振幅是可变的，其振幅与探头的位置成正比。它已被用于便携式测量工具，如孔径测量仪器。上一页，回到下一页，1。电容式液位计，棒电极(金属管)用聚四氟乙烯套管包裹，当被测液体的液位上升时，棒电极与导电液体之间的电容增加。电容式传感器的应用电容式液位极限传感器液位极限传感器和液位变送器的区别在于它给出的不是模拟量而是开关量。当液位达到设定

12、值时，输出低液位。然而，也可以选择具有高输出水平的模型。智能液位传感器的设置方法非常简单：用手指按下设置按钮，当液位达到设定值时，松开按钮，智能仪表就会记住设置。正常使用时，当水位高于该点时，可发出报警信号和控制信号。设置按钮、智能液位限位传感器设置按钮、超限灯、正常工作指示灯、设置按钮、电源指示灯、加速度传感器在汽车中的应用，安装在汽车上，可作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器判断发生了碰撞，因此它启动汽车前部的折叠气囊迅速膨胀，支撑驾驶员和前排乘客的胸部和头部。汽车装有传感器，安全气囊，汽车安全气囊，使用加速度传感器可以使安全气囊在汽车碰撞时迅速膨胀。3.湿敏电容，采用吸湿性大的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧镀多孔电极。当相对湿度增加时，吸湿介质吸收空气中的水蒸气，这大大增加了两个电极之间介质的相对介电常数(水的相对介电常数为80)，因此