2006_检测_8_电容式传感器.ppt

1、Cha.8 电容式传感器,典型应用范围： (角/线)位移（直接被测量），物位；振动，加速度；成分含量，液体层析,一、电容式传感器的结构和工作原理,基本工作原理（平行板电容器）,忽略了边缘效应,当平行板的间距d 远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。,1、变极距型电容式传感器,当极距 d0 d = d0+d 时，则电容量C0 C,0,然而，d0受介质的绝缘强度限制（空气:约 3KV/mm），不可太小。通常，d 在25200m之间， d /d0 0.1（非线性误差不可太大）。 利用d C的特性，可以测量微小位移或厚度。,变极距型电容式传感器工作示

2、意图,2、变面积型电容传感器,以角位移传感器为例。 模型：两半圆形板极(定板极和动板极)的间距为d , 面积均为A 0，可绕同圆心转动，其夹角为。,C与（角位移）成线性关系。,变面积型电容式传感器工作示意图,3、变介质型电容式传感器,模型：如下图，这种电容可以看成是CA、CB两个电容的并联。,C与x成线性关系。,4、 电容式传感器的等效电路及特性,一、电容式传感器的等效电路,图3-9电容式传感器的等效电路,RP 并联损耗电阻(板极间的漏电及介质损耗) RS 串联损耗电阻(引线电阻及高频驱肤效应) L 分布电感 C 传感器电容,在RP、 RS忽略时，传感器的等效电容Ce由:,容抗 感抗,二、电容

3、式传感器的几个典型特点,1.高阻抗 直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/( jC)由于C一般较小，当频率不太高时交流阻也很大。 2.小功率 视在功率PC=UI=U 2C，由于C很小，则在频率不太高时PC也很小。 3.存在静电吸引力 由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。 4.测量回路通常要用交流回路。,三、边缘效应及修正,+,-,d,平行板电容器,电力线,边缘效应,实际电容量：,修正方法：使用保护环。,第三节 电容式传感器的测量电路 用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路

4、、脉冲调制电路、调频电路。 一、普通交流电桥 图3-6所示为由电容C、C0和阻抗Z、Z组成的交流电桥测量电路，其中C为电容传感器的电容，Z为等效配接阻抗，C0和Z分别为固定电容和阻抗。,上一节,下一节,电桥初始状态调至平衡，当传感器电容C变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的幅值随C而变化。电桥的输出电压为 (3-8) 式中，Z为电容臂阻抗；Z为传感器电容变化时对应的阻抗增量；Zi为电桥输出端放大器的输入阻抗。 这种交流电桥测量电路要求提供幅度和频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗Zi很高。为了改善电路的动态响应特性，一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的510倍。,二、

5、紧耦合电感臂电桥 图3-7为用于电容传感器测量的紧耦合电感臂电桥。该电路的特点是两个电感臂相互为紧耦合，它的优点是抗干扰能力强，稳定性高。,电桥的输出表达式为： (3-9) 式中 ； ； ； ；ZL为电桥负载阻抗。 三、变压器电桥 电容式传感器所用的变压器电桥如图3-8所示。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为 ;以 ， 代入上式可得,(3-10),式中，C1、C2为差动电容式传感器的电容量。设C1和C2为变间隙式电容传感器，则有： , ，根据式(3-10)可得 可以看出， 在放器输入 阻抗极大的 情况下，输 出电压与位 移呈线性 关系。,二、紧耦合电感臂电桥 图3-7为用于电容传感器测量的

6、紧耦合电感臂电桥。该电路的特点是两个电感臂相互为紧耦合，它的优点是抗干扰能力强，稳定性高。,电桥的输出表达式为： (3-9) 式中 ； ； ； ；ZL为电桥负载阻抗。 三、变压器电桥 电容式传感器所用的变压器电桥如图3-8所示。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为 ;以 ， 代入上式可得,(3-10),式中，C1、C2为差动电容式传感器的电容量。设C1和C2为变间隙式电容传感器，则有： , ，根据式(3-10)可得 可以看出， 在放器输入 阻抗极大的 情况下，输 出电压与位 移呈线性 关系。,四、双T电桥电路 这种测量电路如图3-9所示。图中C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作

7、的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容。RL为负载电阻，V1、V2为理想二极管，R1、R2为固定电阻。 电路的工作原理如下：当电源电压U为正半周时，V1导通，V2截止，于是C1充电；当电源负半周时，V1截止，V2导通，这时电容C2充电，而电容C1则放电。电容C1的放电回路由图中可以看出，一路通过R1、RL，另一路通过R1、R2、V2，这时流过RL的电流为i1。 到了下一个正半周，V1导通，V2截止，C1又被充电，而C2则要放电。放电回路一路通过RL、R2，另一路通过V1、R1、R2，这时流过RL的电流为i2。 如果选择特性相同的二极管，用R1=R2，C1=C2，则流过RL的电流

8、i1和i2的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内渡过负载电阻RL的平均电流为零，RL上无电压输出。若C1或C2变化时，在负载电阻RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。此时输出电压值为,(3-11),当R1=R2=R，RL为已知时，则 这是一个常数，故式（3-11）又可写成 (3-12) 双T电桥电路具有以下特点： 信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共的接地点。 二极管V1和V2工作在伏安特性的线性段。 输出电压较高。 电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。 可以用作动态测量。,五、运算放大器式测量电路 电路的原理图如图3-10所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大

9、器的输入端与输出端之间。运算放大器的输入阻抗很高，因此可认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为 以 代入上式，则有 (3-13) 式中，u0为运算放大器输出电压；为信号源电压；Cx为传感器容量；C0为固定电容器。由式（3-13）可以看出，输出电压u0与动极片机械位移d成线性关系。,六、脉冲调制电路 图3-11所示为差动脉冲宽度调制电路。这种电路根据差动电容式传感器电容C1和C2的大小控制直流电压的通断，所得方波与C1和C2有确定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触发器的两个输出端。,当双稳态触发器的Q端输出高电平时，则通过R1对C1充电。直到M点的电位等于参考电压Ur时，比较器N1产生一个脉

10、冲，使双稳态触发器翻转，Q端（A）为低电平，Q端（B）为高电平。这时二极管V1导通，C1放电至零，而同时Q端通过R2为C2充电。当N点电位等于参考电压Ur时，比较器N2产生一个脉冲，使双稳态触发器又翻转一次。这时Q端高平，C1处于充电状态，同时二极管V2导通，电容C2放电至零。以上过程周而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。图3-12为电路上各点的波形。 由图3-12看出，当C1=C2时，两个电容充电时间党数相等，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。当差动电容传感器处于工作状态，即C1C2时，两个电容的充电时间常数发生变化，T1正比于C1，而T2正比于C

11、2，这时输出电压的平均值不等于零。输出电压为,(3-14),当电阻R1=R2=R时，则有 (3-15) 可见，输出电压与电容变化成线性关系。,四、电容式传感器的应用,特点,1、位移传感器,2、加速度传感器,3、油箱油位计,硅微加工加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，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。,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）,利用微

12、电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、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。,加速度传感器在汽车中的应用

13、,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,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 。,汽车气囊对驾驶员的保护作用,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。,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