第二章 电容式传感器 2011年

1、1,第二章 电容式传感器,电容式传感器的工作原理 电容式传感器的特点 电容式传感器的应用 电容式传感器等效电路 电容式传感器测量电路,2,第二章 电容式传感器, 应用, 变换原理,利用电容器的原理，将被测非电量转换成电容量的转化器件或装置，实质上是一个可变参数的电容器。,压力、压力差、风速、位移（微、线、角）、噪声、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等。,3,（一）变换原理:,两平行极板组成的电容器其电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,4,（二）类型 变极距型 变面积型 A 型 变介电常数型,5,1 极距变化型电容传感器工作原理,6,传感器的输入输出特性：,初始： 工作（

2、如极间距减小）时： 输出增量：,7, 输出, 灵敏度 非线性,8,差动式,中极板上移: 输出:,9, 灵敏度：, 非线性： 差动式与非差动式特性比较： 差动式的非线性得到很大改善， 灵敏度较非差动式提高1倍。,10,变极距型电容式传声器,11,2 变面积型电容传感器工作原理,（1）角位移型,12,（2）平面线位移型,平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。,13,（3） 柱面线位移型,圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，在实际中最常采用。,初始电容量:,输出:,14,3 介质变化型电容传感器,工作原理,15,a、b 固定极板长度、宽度 两固定极板间的距离 x、0被测物厚度及其介电常数、

3、空气的介电常数,用途：电介质的厚度、液位，介质材料的温度、湿度、含水率、非金属涂层厚度等。,忽略边缘效应，传感器电容量C与被测厚度x之间的关系：,16,单组平板式线位移传感器（变介质型）： 忽略边缘效应，传感器电容量与被测位移的关系：,a、b、lx固定极板长度、宽度、被测物进入两极板间的长度 两固定极板间的距离 1、0被测物的厚度及其介电常数、空气的介电常数,17, 圆筒式液位传感器：（空气介质和液体介质）,传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。,传感器电容量与被测液位的关系：,h,2r1,2r2,hx,18,eg：设计一柱式电容液位传感器，要求直径分别为40mm和8mm。 求:当用于圆

4、柱形储液罐（直径0.5m，高1.2m，被储液体2.1 ） 液位检测时传感器的最小电容、最大电容和灵敏度(pF/L)各为多少？,解：,液罐体积：,灵敏度：,19,（三） C式传感器特点,优点: 1. 温度稳定性好（电容值与电极材料无关；发热极小 ） 2. 结构简单、适应性强 3. 灵敏度高、动态响应好 4. 差动型灵敏度和线性高于非差动型； 面积型和介质型线性好于极间距型 5. 可实现非接触测量,20,缺点：,1、输出阻抗高、负载能力差 传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响 。 2、寄生电容影响大 寄生电容既降

5、低了传感器的灵敏度又随机变化，会使传感器工作不稳定，影响其测量精度 。,21,运用集成电路工艺把电容敏感元件与测量电路合为一体，构成电容式集成传感器。核心部件是一个对被测加速度敏感的集成电容器。,用于加速度测量的集成电容传感器结构示意图,（四） 应用,1 加速度测量（集成电容传感器）,22, 没有加速度作用时, 有加速度作用时，悬臂梁与顶层及底层之间产生位移，使其中一个电容增大，一个电容减小，差动输出，输出电容变化量与加速度成正比。,23,精度较高，频率响应范围宽，量程大，可测很高的加速度,电容式加速度传感器,24,2 压力测量（集成电容传感器传感器）,当硅膜的两侧有压差存在时，硅膜发生形变使

6、电容器的两极的间距发生变化，因而引起电容量的变化。 电容器的变化量与压差有关。,25,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)； 能测微小压差(00.75Pa) ，风速测量； 测真空或微小绝对压力时：把膜片一侧密封并 抽成高真空(10-5Pa)即可。,3 压差测量,26,4 位移测量,27,b) 测轴回转精度和轴心偏摆,28,1 电容式传感器等效电路,L 连接电缆电感+电容传感器本身的电感 电缆电阻 C0 传感器本身的电容 Cp连接电缆、测量电路、极板与外界形成的总寄生电容 Rg极间等效漏电阻,（五） 测量电路,29,低频等效电路,传感器容抗1/jwc0 ，L和r的影响可忽略 等效电容

7、C=C0+Cp ；等效电阻 ReRg,A,B,C0,Cp,Rg,L,r,A,B,30,高频等效电路,传感器容抗1/jwc0 变小，L和r的影响不可忽略，漏电阻Rg影响可忽略 ； C=C0+Cp，而 Rer,31,2 测量电路,1）电桥电路,32,见 交流电桥的幅度调制（调幅）与解调,33,2) 谐振电路,e2：初始输出,34,特点: 克服变极距型电容式传感器的非线性。,运算放大器式 电路原理图,U0与电容极间距成线性, 保证电容传感器的线性。 仍存在一定的非线性误差， 但A和Zi足够大，误差很小。,3)运算放大器式电路,设: 放大器开环放大倍数 A=，输入阻抗Zi =，可认为运放器输入电流=0，则：,将 代入上式得：,35,电路原理图(a)。供电电压UE、周期T、占空比为50的方波。C1、C2传感器输出电容。 当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路图(b)。 D1通、D2止，C1以极短的时间充电、其影响可不考虑。 C2的电压初始值为UE。 根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得C2的电流iC2。,4)双二极管T形电路,36,电路特点： 线路简单，可全部放在探