3.4电容式传感器修正.ppt

1、思考： 我们都学过电容器方面的知识，你还记得平板电容器的电容量的计算公式吗？,传感电容器检测液面高度 如图2所示是一种通过测量电容器电容的变化来检测液面高低的仪器原理图。电容器的两个电极分别用导线接到指示器上，指示器可显示出电容的大小。,生活中常见的电容式传感器的应用,液位传感器,自动烘干机 随着生活质量的提高，自动干手机已进入家庭。洗手后将湿手靠近自动干手机，机内的传感器便驱动电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干，手靠近干手机能使传感器工作。,根据自动干手机的特征，即手靠近，电热器开始工作，手撤离，电热器开始停止工作。人是一种导体，可以和其它导体构成电容器，手靠近干手机相当于连接了一个

2、电容器，手靠近改变了电容。,计算机键盘上按键的工作机理,键盘是计算机必备的输入硬件之一，现有一种电容传感式键盘，其基本构造如图3所示，在键盘上每个按键下有一个金属片，键盘底片上有一与之正对相互绝缘的金属片，两金属片构成电容，加在两金属片上有恒定电压U，当敲打某个按键时，两金属片间距离变化而导致带电荷量Q随之改变，计算机就能识别出哪个键被敲打。,好像在突然之间，电容式传感器就无处不在了。它被安装在汽车座位里以控制气囊配置和安全带预紧装置，在洗碗机和干燥机中以校正旋转桶的状态，甚至冰箱也使用其来控制自动去冰过程。但是直到现在，它最大的潜在应用领域还是触摸开关，触摸开关已越来越多地出现在消费电子产品

3、中。,3.4 电容式传感器,定义：电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。,压差变送器,接近开关,三轴加速度传感器,物位开关,优点： 结构简单，体积小，分辨率高，具有平均效 应，测量精度高，可实现非接触测量，并能在高温 、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 测量参数： 压力、差压、液位、振动、位移、加速度、 成分含量等,3.4.1 电容式传感器的工作原理 3.4.2 电容式传感器主要性能 3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点 3.4.4 电容式传感器等效电路 3.4.5 电容式传感器测量电路 3.4.6 电容式传感器的应用,3.4.1 电容式传感器的工作原理,1. 工作

4、原理,最简单的电容器：用两金属板作电极，中间为某种介质， 若忽略边缘效应时,其中：C 电容量（PF） S 极板间相互覆盖面积（ ） D 极板间距离（cm） 极板间介质的介电常（ ） 真空的介电常数 （PF/cm）,介质相对介电常数 ，对于空气介质,上式还可以写成：,由式可见，在 ，S，d三个参数中，任一参数发生 变化时，电容量C也随之发生变化，通过测量电路就可以转 换为电量输出。,根据改变参数不同，电容传感器一般分三种类型： （1）变极距型电容传感器 （2）变面积型电容传感器 （3）变介电常数型电容传感器,变极距(d）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(

5、g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),2. 变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d1时，则式可简化为,若极距缩小d,最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性,初始电容,结论： 在 时，电容的变化量 与极板间距变化 量 呈近似线性关系； 传感器非线性误差较大； 仅适用于微小位移测量； d越小，灵敏度K越高，但同时 会增加（因 变大）。 根据上面讨论，所以在实际应用中多采用差动结构，如下 图，当动片上移 ，则 ， 同时C2减小,3. 变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为,C与x间呈线性关系,其中，a极板长度 b极板宽度 极板水平位移,电

6、容式角位移传感器 （多用于检测位移）,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系，但如果输出是 ， 则是非线性关系。,3. 变介电常数型电容式传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,当L=0时，传感器的初始电容,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,电容变化量与电介质移动量L呈线性关系,Flash,电容传感器实物：,3.4.2 电容式传感器主要性能,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。 2.非线性,变极距型，其静态灵敏度为,将上式展开成泰勒级数得,但d过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm) 在

7、极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来 改善电容器耐压性能,差动结构也可提高灵敏度,1.静态灵敏度,平板式变面积型,b,a,a,b d kg,减小d 、增大b、采用差动结构可提高灵敏度,2. 非线性,变极距型,将上式展开成泰勒级数得,d 取值不能大，否则将降低灵敏度,采用差动形式，并取两电容之差为输出量,差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍,如果采用容抗 作为电容式传感器输出量,被测量与d 成线性关系,无需满足,1、特点,优点: 1. 温度稳定性好 （电容值与电极材料无关本身发热极小 ） 2. 结构简单、适应性强 3. 动态响应好 4. 可以实现非接触测量、具有平

8、均效应,3.4.3 传感器的特点和设计要点,动态响应好,极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。 介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。,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，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106

9、108。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 。传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度,2. 设计要点,减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能 消除和减小边缘效应 消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰 尽可能采用差动式电容传感器,低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应,3.4.4 电容式传感器等效电路,L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的

10、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电容 Rg是极间等效漏电阻 极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗,在高温、高湿环境下,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略 等效电容C=C0+Cp， 等效电阻ReRg,高频等效电路,电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略 ，其中C=C0+Cp，而rer,由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫， 容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此时电容传感器的等效灵敏度为,当电容式传感器的供电电源频率较高

11、时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。,思考：,电容式传感器的输出电容值非常小（通常只有几皮法至几十皮法），不便直接显示、记录，更难以传输，怎么办？,3.4.5 电容式传感器的测量电路,电容式传感器中电容量以及电容量变化值都十分微小，不能直接为目前的显示仪表所显示；,借助于测量电路检出这一微小电容增量，并转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率；,电容转换电路有交流电桥电路、调频电路、运算放大电路、二极管双T形交流电桥、脉冲宽度调制电路等。,Cx为电容传感器，电桥平衡时， 输出电压U0=0。 Cx变化时，U00，由此可测得电容的变化值

12、。,（1）桥式测量转换电路,单臂接法,相邻的两臂接入差动式电容传感器。空载时的输出电压为,差动接法,(2)调频式测量转换电路,当输入量导致传感器的电容量发生变化时，振荡器的振荡频率也相应地变化，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频式。 在实现了电容到频率的转换后，再用鉴频器把频率的变化转换为幅度的变化，经放大后输出，进行显示和记录。,调频电路,当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，,当被测信号不为零时，c0，此时频率为,具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量 易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强,(3)运算放大器式电路,最大特点：能克服变极距型电容

13、传感器的非线性,Cx是传感器电容 C是固定电容 u0是输出电压信号,运算放大器式电路原理图,由运算放大器工作原理可知,结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性 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。,(4)二极管双T型电路,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R1，负载电阻RL放电， 流过RL的电流为I1。UE在负半周内，D2导通、D1截止，则电容C2充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。根据

14、上面所给的条件，则电流I1 =I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。,高频电源, 它提供幅值为UE 的对称方波,VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管, R1 = R2 = R, C1、C2为传感器的两个差动电容，当传感器没有输入时, C1 = C2,(5). 差动脉冲调宽电路,利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化 通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号,如图,C1、C2为传感器的差动电容，当电源接通时，设双稳态触发器的A端为高电位，B端为低电位，因此A点通过R1对Cl充电，直至F点上的电位等于参考电压Ur时，比较器A1产生一个脉冲，触

15、发双稳态触发器翻转，A点成低电位，B点成高电位。此时F点电位经,二极管VD1迅速放电至零，而同时B点的高电位经R2向C2充电。当G点的电位充至Ur时，比较器A2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，使A点成高电位，B点成低电位，又重复上述过程。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。,C1C2 时,C1C2 时,uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为,式中UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 分别为C1和C2的充电时间； U1触发器输出的高电位。,C1、C2的充电时间,式中 Ur触发器的参考电压,设R1=R2=R，则得,结论：输出的直流

16、电压与传感器两电容差值成正比,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2,差动变极距型 差动变面积型,特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式 电容式传感器并具有理论上的线性特性,3.4.6 电容式传感器的应用,1.电容式接近开关,电容式接近开关外形,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,图示为电容开关在工程中的一个应用。要求对某个工件进行加工，工件用夹具固定在移动工作台上，工作台由一个主电机拖动，作来回往复运动，刀具作旋转运动。现用两个电容开关来决定工作台何时换向。当“A”号传感器有输出信号时，使主电机停止反转，同时，接通其正转电路

17、，从而使工作台向右运动；当“B” 号传感器有输出信号时，使主电机停止正转，同时，接通其反转电路，从而使工作台向左运动。这样，就实现了工作台的行程限位。,2.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）。,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间的电容变大。,聚四氟乙烯外套,电容式液位限

18、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。,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,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,3.电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压传感器 结构,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms) 能测微小压差

19、(00.75Pa)、真空或微小绝对压力 需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可,各种电容式差压变送器外形,以差动电容为检测原理组成的电容式差压变送器,1、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度,4.电容式加速度传感器,钻地导弹,电容式加速度传感器的应用一,钻地导弹其头部安装了电容式加速度传感器后，就可以延时起爆，从而保证钻地导弹钻地的深度。,轿车安全气囊,电容式加速度传感器安装在轿车上，就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

20、，托住驾驶员及同排的乘员的胸部及头部，从而保证其生命的安全。,电容式加速度传感器的应用二,电荷平衡式位移传感器,可变电压VM与测头的位置成比例 已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。,7.电容式测厚传感器,应用,差动式电容测厚传感器 ,图 5-19 差动式电容测厚仪系统组成框图,电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极， 而带材就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发生变化， 将引起电容量的变化，

21、用交流电桥将电容的变化测出来， 经过放大即可由电表指示测量结果。 ,湿敏电容模块及传感器外形,结论： 根据电容量的变化即可知道外界湿度的变化。,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,9. 容栅式传感器, 基本类型及工作原理 容栅传感器电极的结构形式 信号处理方式 容栅式传感器应用, 基本类型及工作原理,长容栅 圆容栅,片状 柱状,长容栅,n动尺栅级片数 a , b栅极片长度和宽度,柱状圆容栅,r2 , r1 圆盘栅极片外半径和内半径 a 每条栅极片对应的圆心角（rad）,容栅传感器电极的结构形式,（a）直电极反射式 （b）直电极透射式 （c）反射式L型电极,(a)直电极反射式,结构形式简单，使用方便， 移动