传感器原理与应用第三章电容式传感器

1、,*,XXXXXXXXXXXXXXXXXX,1 土壤湿度传感器,介电法速测土壤含水量 利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效的、快速的、简便的、可靠方法。对一定几何结构的电容式水分传感器，其电容量与两极间被测物料的介电常数有正比关系。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多，所以当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大，测量时水分传感器给出的电容值也随之上升，根据传感器的电容量与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分。电容式水分传感器的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多，而且响应速度也较快，可应用于在线监测实现自动化,传感器原理及应用,第三章 电容式传感器,3,课程内容,工作

2、原理与应用,概论,传感器的一般特性,4,本章内容,第三章 电容式传感器,定义：电容式传感器是将被测量参数换成电容量的测量装置。,工作原理 实际应用,测量电路 误差分析,位移、厚度、角度、振动、力、压力、压差、流量、成分、液位,第三章 电容式传感器,第三章 电容式传感器,一、变面积型（变S）,应用：位移及可转化为位移的量,直线位移式电容传感器,一、变面积型（变S）,角位移式电容传感器,应用：j角度、位移及可转化为角度、位移的量,气体介质间的电容为C1,液体介质间的电容为C2,总电容量为C,线性,液面高度,二、变介电常数型（变）,三、变极距型（变d）,非线性,非线性误差？,只考虑二次项,四、差动电

3、容传感器,差动结构使灵敏度提高一倍； 非线性误差减小一个数量级；,图 电容式传感元件的各种结构形式,上图所示为常用电容器的结构形式。图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)和(h)为变面积型， 图(a)和(e)为变极距型， 而图(i)(l)则为变介电常数型。,电容传感器实物：,17,本章内容,第三章 电容式传感器,3-2 电容式传感器的误差分析,一、温度对结构尺寸的影响,由于组成传感器各材料的温度膨胀系数不同，当环境温度变化时，传感器各结构尺寸发生变化从而引起电容变化。通常 以变极距型电容传感器为例，对温度误差进行分析。,温度变化产生的增量，是温度的函数,传感器初始电容,正常测量时电容

4、的变化量,误差,温度误差与各结构参数及材料的关系，说明温度误差与传感器的零件形状、尺寸、大小及零件材料的线膨胀系数有关设计时应充分考虑。 设计的通常步骤： 1设计时首先合理选择初始电容量以决定 d0 ； 2根据材料膨胀系数，适当地选择 h1和 h2以满足温度补偿条件的要求，达到温度补偿的作用。,传感器的电容值与介质的介电常数成正比。因此若某些介质的介电常数也存在温度系数，当温度改变时，就必然会引起传感器的电容值改变，从而造成温度附加误差。 消除方法是：采用介电常数温度系数为零的空气或云母作为介质，或在测量电路中进行温度补偿。但要完全补偿是困难的。,二、温度对介质的介电常数的影响,三、电容电场的

5、边缘效应 平板电容器两极板间电场是均匀分布的，这是理想情况，实际 上在极板边缘处情况很复杂，有边缘效应，它对传感器的影响相当 并联了个电容，引起传感器灵敏度下降和非线性增加。 克服方法主要有： 增大初始电容，增大面积， 减小间距； 加装等位环，把边缘效应拉 出工作区。,均匀电场,绝缘材料,1、电容传感器优化设计中边缘效应的解决。2、一种新型的电容传感器基于边缘效应原理的传感器,发散你的思维,四、寄生与分布电容的影响,电容极板与周围物体（各种组建甚至人体）所产生的电容称为寄生电容。而电容传感器引线电缆引起的电容称为分布电容(l2m导线可达800pF) 。寄生电容与分布电容统称为干扰电容。 由于电

6、容传感器很小，其电容量多为几皮法至十几皮法，属于小功率、高阻抗器件，极易受外界干扰，尤其是易受大于它几倍、几十倍且具有随机性的干扰电容的影响，且这些干扰电容与传感器电容并联，严重影响传感器的输出特性，甚至淹没传感器有用电容而使之无法工作。 且寄生电容极不稳定，这就导致电容传感特性不稳定，对传感器产生严重干扰，带来测量误差。 因此，消灭干扰电容的影响是电容式传感器使用的关键。,四、寄生与分布电容的影响,通常办法： 增加初始值 集成化：将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。 静电屏蔽（1）将传感器电容和引线分别进行良好屏蔽与接地（2）整体屏蔽法:将电容式传感器和所采

7、用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。 采用屏蔽电缆同时又产生两个问题： 屏蔽线本身电容（分布电容、约几百皮法/米）很大，传感器的电容才几十皮法，与传感器电容形成并联，显著降低灵敏度。 分布电容由于电缆放置位置和形状不同而有较大变化，这将造成传感器特性不稳定。 解决办法 采用电缆驱动技术，其基本原理是使用电缆屏蔽层电位跟踪电容极板电位，要求二者电位的幅值与相位均相同，以消除屏蔽线的分布电容影响。,线路一：采用1：1放大器 双层屏蔽线的内屏蔽层接1：1放大器的输出；1：1放大器的输 入接芯线，即 点对地电位。使屏蔽层与 点同幅同相以消

8、除分 布电容。 缺点： 1要1：1放大器输入电容为零,输入阻抗无穷大,相位移为零。很难实现。 2当Cx很小，或与放大器输入电容相近时，会引起很大相对误差。 3因此仅适用于Cx较大的传感器。,运放输入电容与传感器电容并联，会引起很大相对误差。,线路二：采用电缆驱动放大器Aa。则电容器Cx两端电压Ucx 电缆驱动放大器 输出电压 要实现屏蔽层与芯线等电位，应有 即： 得： 特点：由于电缆驱动放大器的 输入电容是-A放大器的负载， 与Cx无关；输出电容对Cx有影 响，但运算放大器的输出电容 很小，可忽略不计，故可认为 无附加电容与Cx并联。因此适 用于Cx很小情况下的检测。,上述电路有一问题是，输出

9、初始值不为零，因d不能等于0，根 据下图可推导出下式： 其中：Cxo电容传感器初始值 当：Cxo=Co时： 值得注意的是，上述两种电路中 Co在检测过程中还起到了参比测量的 作用，因此当Co和Cx结构参数及材料 完全相同时，其环境温度对测量的影 响可以得到一定的补偿。,该式表示当Cx=Co时，即初始时输出为零（d=d0）。,29,本章内容,第三章 电容式传感器,3-3 电容式传感器的测量电路,3-3 电容式传感器的测量电路,一、等效电路,C：传感器电容； Rp：并联电阻，包括了电极间泄露电阻和介质损耗的等效电阻（电容器内部的）。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱

10、 L：串联电感，电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。 Rs：串联电阻，即引线电阻，接线柱电阻，电极板电阻之和（外部与内部）,电容式传感器的等效电路,当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（通常f=(1/31/2)fo ），否则电容传感器不能正常工作。,电路谐振频率,注意,Rp 很大时 该部分=0,Rp 很大 1可忽略,Page50 式3-16和式3-17推导过程,Page 50式 (3-18)推导过程,电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L和激励角频率有关。 因在实际应用前必须进行标定。 使用时必须与标定的条件相同，即

11、线路中导线实际长度、连接方式等条件与测试时和标定时应该一致， 否则会引入测量误差,二、测量电路 电容传感器的电容值一般十分微小（几皮法至几十皮法），如 此微小的电容值不便直接显示记录，也不便传输。所以须借助于测 量电路将其转换为与之成比例的电压，电流式频率信号，下面介绍 几种典型测量线路： 一交流不平衡电桥： 图所示为交流不平衡电桥： 条件：Z1电容传感器阻抗 Z2、Z3、Z4固定值阻抗 E内阻为零的电源电压 下面讨论输出端开路的情况下，电桥的 电压灵敏度K（均以复数形式表达）。 电桥初始平衡条件为： 则输出:,当Z1有一变化时，电桥失去平衡，其输出为Usc 下面分别讨论三个因子 阻抗相对变化

12、 ，对电容元件而言， 可认为是一实数,桥臂比A，用指数形式表示为： K是A的函数，故亦为复数：,参照书第52页图3-9 电桥的电压灵敏度曲线,典型交流电桥：,从上面可以看出，采用同样的元件，若接法不同，灵敏度也不同，c图比b图提高一倍；d图比c图又提高一倍。,差动脉冲宽度调制电路,比较器,双稳态触发器,电容充、放电回路,差动电容,电路输出,+,截止,充电,+,截止,充电,导通,放电,+,差动脉冲宽度调制电路 工作原理 接通电源：某时刻双稳态触发器输出为,因此在双稳态触发器两输出端各自产生一宽度受C1，C2调制的方 波脉冲 ,见下图（书中图3-13）所示。,差动电容的变化使充电时间不同而使双稳态

13、触发器输出端的脉冲宽度不同，因此，A、B两点间输出电压不同，且具有线性输出,输出直流电压 由AB两点间电压经过低通滤波后获得,其中 触发器输出高电平电压,输出直流电压 具有线性输出特性； 无须附加解调电路，而只需经低通滤波简单引出输出（自身能判向）； 由于低通滤波对波形要求不高，故仅需一电压稳定度较高的直流电源，比要求稳频稳幅的交流电易于做到。,五运算法测量电路,由运算放大器反馈原理可知，当运放输入阻抗很高，增益很大时，则认为运算放大器输入电流I=0，即运放不取电路电流，则下式成立（M点虚地）。,线性,结论,1输出电压 与动极片位移d成线性关系；（理论上解决了变d电容传感器输出特性的非线性问题

14、） 2前提条件 ，实际上运算法测量电路的输出，仍具有一定的非线性误差，但是在增益和输入阻抗足够大时，这种误差是相当小的。实际两者足够大即可； 3输出电压Usc与信号电压Ui 、固定电容C0和电容式传感器参数 、S等有关，这些参数的波动都将使输出产生误差，因此要求，要求 C0、 Ui （稳压措施）、 等要足够稳定。,二极管双T型交流检波,高频电源，输出对称方波，它提供了幅值为U的对称方波，,D1、D2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。,正半周,充电,充电,放电,放电,负半周,二极管双T型交流检波-等效电路,根据上面所给的条件，则电流I1=I2，

15、且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。,负半周时，C1通过R1，RL放电，流过RL的电流为I1。,正半周时， C2通过R2，RL放电，流过RL的电流为I2 。,可知，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。,若传感器输入不为0，则C1C2, I1I2, 此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零， 因此产生输出电压。,续,该电路输出电压较高，当电源频率为1.3 MHz，电源电压U=46V时，电容在-77 pF变化，可以在1M负载上得到-55V的直流输出电压。 电路的灵敏度与电源电压幅值

16、和频率有关，故输入电源要求稳定。 当U幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。 电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、 R2及RL有关，约为1100k。 输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1 k的负载电阻上升时间为20s左右， 故可用来测量高速的机械运动。,三二极管环形检波电路：,差 动式 电容传感器,e,e,环形检波,稳幅放大器使,比例放大器A2和电流转换器Q4提供输出,恒压源,恒流源,R1=R2=R,正弦激励电压,变压器,三二极管环形检波电路：,正半周,耦合,设 方向为正，且,此即A1的输入差动电压e 则：,三二极管环形检波电路：,正半周,三

17、二极管环形检波电路：,负半周,耦合,等效电路中：忽略除电容外回路的其他阻抗，用阻抗复数欧姆定律取其模，得电流有效值。,激励电压e在CL和CH通过的电流为,由于二极管检波作用，e正半周D1D4导通，e负半周D2D3导通，由此产生AB端电压有效值为UAB1,由恒流源Ic在AB端产生的电压为UAB2,因此AB端总电压，,此即A1的输入差动电压e 则：,设 方向为正，且,讨论如下： 等效电路中：忽略除电容外回路的其他阻抗，用阻抗复数欧姆定律取其模，得电流有效值。 激励正弦电压e在CL和CH通过的电流为 由于二极管检波作用，e正半周D1D4导通，e负半周D2D3导通，由此产生AB端电压有效值为UAB1

18、由恒流源Ic在AB端产生的电压为UAB2 因此AB端总电压UAB=UAB1+UAB2， 此即A1的输入差动电压e 则：,设 方向为正，且,通过对运放A2输入端电压分析列出输入端平衡方程，计算得出输出电流表达式,电路特点： 1采用变面积或变间隙型差动式电容传感器，均能得到线性输出； 2用电位器W1，W2可实现量程和零点的调整，且者互不干扰； 3改变反馈电阻 RF可以改变输出输出电流I。,60,本章内容,第三章 电容式传感器,3-4 电容式传感器的应用,位移、厚度、角度、振动、力、压力、压差、流量、成分、液位,一、电容式测微仪,高灵敏度电容微测仪采用非接触式精确测量微位移和振幅，已经可以做到纳米级

19、。 如冶金工业中,对金属制板厚度进行了测量; 机械加工行业中,轴系晃动量的测量、机械零部件的表面粗糙度测量、孔径测量、圆柱度测量、不圆度测量、三座标测量机检测上应用农业用塑料薄膜厚度检测、轴向柱塞泵体油膜厚度测量; 国防工业用气体动压轴承测量、气浮陀螺测量; 石油工业中石油密度测量; 化学工业中镀层厚度测量。,电容式测微仪原理,二、电容式液位计：,电容式液位测量系统的设计2004年，传感器技术 电容式液位测量系统是基于改变介电常数时, 电容器的电容量变化的原理来测量液位的。利用电容式传感器, ADC0809, 8031, 2764, 8155 单片机和LED 数码管等组成测量系统, 对煤油的液

20、位进行测量。它具有设定液位、显示当前液位和声光报警的功能,你可以设计,洪水灾害是我国发生频率高、危害范围广、对国民经济影响最为严重的自然灾害。洪灾会造成江、河、湖、库水位猛涨，堤坝漫溢或溃决。所以一个安全，可靠，及时的水位测量报警系统显得尤为重要。 在医疗系统中,病人在输液过程中的监控问题,一直是护士和病人关心的问题,一但监控失误就会使空气进入人体的血液系统,造成严重的后果,甚至会使患者死亡。因此医疗输液监控系统也是非常有必要的。,为了了解大坝的加固处理效果和大坝的渗透情况, 同时为以后大坝溢流段加高提供依据, 在大坝表面布置测压管, 通过测量测压管内水位高度变化来观测大坝的渗透、沉降等参数。

21、采用人工观测的方法来测量大坝测压管内水位, 不仅误工费时, 劳动强度大, 而且一次观测时间长, 在恶劣气候或大坝有险情的情况下, 采用人工的方法测量难度会更大。是否可以采用智能传感器设计自动化水位监测系统，进行遥控测量 还有很多，比如燃油测量，车辆检测 去发现，去思考 还可以利用zigbee技术等无线技术，可以对现有系统进行性能的改进,四、成分测量,土壤水分的测定是农业，水利科学研究和实现灌溉自动化的关键环节，广泛地受到人们的重视。土壤水分的检测在实际生产生活中的应用非常重要，人们通过传感器检测出土壤水分的多少，经过变送器，传输通道，信息处理等环节，实现自动控制机器灌溉土壤，使土壤中的水分适合

22、植物生长等的要求。,我国是世界上水土流失最严重的国家之一, 在土壤侵蚀研究与水土流失治理中,水流中泥沙含量的测量具有重要意义。它可为土壤侵蚀动力过程的模拟与研究、土壤侵蚀预报模型的建立等提供基础资料,为监测和预报水土流失过程、及时准确地控制水土流失的决策提供科学依据。长期以来,国内外测定水流泥沙含量普遍使用的仍然是传统的“烘干称重法” 这种方法测量周期长、检测过程繁琐、劳动强度大,不能很好的监测水流的动态过程。因此,水流泥沙含量的准确、快速、在线测量便成了亟待解决的问题。 能否用用电容传感器测量水流泥沙含量，并通过系统进行统计、显示？,五、电容式接近开关,当有物体移向接近开关时，不论它是否为导

23、体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。所测对象是非金属（或金属）、液位高度、粉状物高度、塑料、烟草等。常用电容式接近开关。 接近开关在航空、航空、航天技术以及工业生产中都有广泛的应用。 思考：随着我国经济的快速发展，现代城市人口的增加、城市范围的扩大，能源紧张问题越来越突出，你可否利用电容式接近开关设计一套节约水电的系统呢？,电容式传感器特点,优点： 测量范围大。 动态响应时间短。灵敏度高。 机械损失小。结构简单，适应性强。 缺点： 寄生电容影响较大。即连接导线电容和本身的泄漏电容，寄生电容降低灵敏度，引起非线性误差，甚至致使传感器处于不稳定工作状态； 用变间隙原理进行测量时具有非线性输出特性。 综述 近年来，由于材料工艺，测量电路及半导体集成技