电容式传感器传感器原理及应用.ppt

1、第4章电容式传感器电容式传感器免费！电容式传感器使用各种类型的电容器作为传感元件，并将测量的物理量的变化转换成电容的变化。特点：(1)低功耗、高阻抗。(2)静电引力小，动态特性好。(3)自身发热影响不大。(4)可以进行非接触测量。应用：测量压力、位移、厚度、加速度、液位、料位、湿度和成分含量。4.1电容式传感器的工作原理和特点，4.1.1电容式传感器的工作原理和类型，由电容式可变电容和测量电路组成，具有敏感元件和转换元件为一体，各变量之间的转换关系原理如图所示。可以看出，电容C可以通过改变三个参数S、D和D中的任何一个来改变。也就是说，如果检测到的参数(例如位移、压力、液位等)发生变化。)使三

2、个参数S、D和D中的一个发生变化，电容的相应变化可用于实现参数测量。据此，电容式传感器可分为以下三类：(1)极距可变电容式传感器；(2)可变面积电容传感器；(3)介电可变电容传感器。4.1.2电容式传感器的特性分析，1。变极距电容式传感器，假设初始电容为：当间隙d0减小D时，电容增加C，那么：电容的相对变化为：到时候，上述公式用泰勒级数展开，可以看出电容C的相对变化与位移之间存在非线性关系。在误差允许范围内，通过省略高阶项得到近似的线性关系：电容式传感器的静态灵敏度为，灵敏度随着极板间距的减小而增大；如果只考虑二次非线性项，而忽略其他高阶项，则可以得到非线性误差：从上述分析可知，只有当d/d0

3、非常小时，可变极距电容传感器才具有近似线性输出。C、D、D0、D、D、C1、C2、C1、C2，如图所示，极距变化的相同值D对应的电容变化不同，非线性随着极距的减小而增大。为了提高灵敏度，减小非线性，克服电源电压和环境温度变化等外部条件的影响，当差动电容的总电容变化如下时，根据泰勒级数展开上述公式得到：省略非线性高阶项，得到：变极距差动电容传感器的灵敏度K为，变极距差动电容传感器的非线性误差L近似为， 结果表明，与单极性距离电容式传感器相比，非线性误差大大减小，灵敏度提高了一倍。 同时，差动电容式传感器还可以减少静电引力对测量的影响，有效改善环境影响带来的误差。2.可变面积电容式传感器，(1)用

4、于测量线性位移的电容式传感器。当移动板移动时，板的相对有效面积发生变化，相应的电容值为：在变面积电容式传感器中，板状结构对极距的变化特别敏感，影响测量精度，而圆柱形结构很少受到板的径向变化的影响，成为实践中最常用的结构。电容的计算公式为：当重叠长度x变化时，电容变为：灵敏度为：表明输出与输入成线性关系，灵敏度为常数。然而，与极板变型相比，圆柱形电容传感器的灵敏度较低，但其测量范围较大。(2)用于角位移测量的电容式传感器。当移动板有角位移时，两个板之间的覆盖区域改变，从而改变电容。当旋转角度为0时，角位移电容式传感器的输出特性为线性，灵敏度k为常数。3。可变介质电容传感器、同轴圆柱电容器的初始电

5、容为：测量时，电容器的介质部分是液体如果C1是液体有效高度hx形成的电容，C2是空气高度(h-hx)形成的电容，那么：因为C1和C2并联，总电容为33，360。可以看出，电容C在理论上与液位高度hx成线性关系，液位高度可以通过测量传感器电容C得到。另一种测量介质介电常数变化的电容式传感器的结构如图所示。假设电容器极板面积为S，间隙为A。当厚度为D、相对介电常数为R的固体介质通过极板间隙时，相当于电容串联。因此，电容器的电容值为：(1)如果固体介质的相对介电常数改变，电容的相对变化为33，360，(2)如果传感器保持R不变，改变介质的厚度，它可以用来测量介质的厚度变化。(3)如果被测介质填充在两

6、个极板之间，则d=a，初始电容为4.2。电容式传感器的特点和设计要点：(1)温度稳定性好的传感器的电容值一般与电极材料无关，只取决于电极的几何尺寸，而空气等介质的损耗很小，因此只需合理选择材料和几何尺寸，考虑强度和温度系数等机械特性，其他因素(由于自身发热小)都会影响到它。电阻式传感器有电阻，通电后发热；电感传感器有铜损耗、涡流损耗等。这导致自发热和零点漂移。1.电容式传感器的优点；2.结构简单，适应性强。电容式传感器结构简单，易于制造。它能在高低温、强辐射、强磁场等各种恶劣环境条件下工作，适应性强，尤其能承受较大的温度变化，能在高压、高冲击和过载下正常工作，能测量超高压和低压差，还能测量磁性

7、工件。此外，传感器的尺寸可以做得很小，以便达到一些特殊的测量要求。4.2.1电容传感器的特性，(3)静电引力小电容传感器的两个极板之间存在静电场，因此静电引力或静电力矩作用在极板上。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。一般来说，这种静电引力很小，所以只有驱动力小的弹性敏感元件才应该考虑静电引力引起的测量误差。(4)具有良好动态响应的电容式传感器由于极板之间的静电引力很小(约为10-5N)，它只需要很少的作用能量，而且由于它的可动部分可以做得很小很薄，也就是说，它的质量很轻，所以它的固有频率很高，它的动态响应时间很短，并且它可以在几兆赫的频率下工作，这特别适合于动态测量。并且

8、由于它的低介电损耗，它可以由较高的频率供电，所以系统具有较高的工作频率。它可以用来测量高速变化的参数，如测量振动和瞬时压力。(5)非接触测量可以实现平均效果。当被测零件不允许接触测量时，电容传感器可以完成测量任务。采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度对测量的影响。除了上述优点之外，由于带电板之间的静电引力极小，电容传感器只需要很少的输入能量，因此它特别适合于测量低能量输入，如测量极低的压力、力、小的加速度和位移等。它可以非常灵敏，具有非常高的分辨率，可以感觉到0.001米甚至更小的位移。(1)输出阻抗高，负载能力差电容传感器的容量受其电极几何尺寸的限制，通常为几十

9、到几百pF，这使得传感器的输出阻抗非常高，特别是在音频范围内使用交流电源时，输出阻抗高达106108。因此，传感器的负载能力很差，容易受到外部干扰的影响，导致不稳定。在严重的情况下，它甚至不能工作虽然高频电源可以降低传感器的输出阻抗，但放大和传输远比低频时复杂，寄生电容的影响增大，难以保证稳定工作。2.电容式传感器的缺点(3)输出特性非线性变极距电容式传感器的输出特性是非线性的，可以通过微分结构来改善，但不能完全消除。只有当电场的边缘效应被忽略时，其他类型的电容传感器的输出特性才是线性的。否则，由边缘效应引起的附加电容将与传感器的电容直接叠加，使得输出特性非线性。随着材料、技术、电子技术，特别

10、是集成电路的快速发展，电容式传感器的优点得到了发展，缺点得到了不断克服。电容传感器正成为一种高灵敏度、高精度的传感器，在动态、低电压和一些特殊测量方面有着广阔的发展前景。(2)寄生电容对传感器的初始电容影响不大，但“寄生电容”如引线电容(l2m线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体形成的电容较大，降低了传感器的灵敏度；这些电容(如电缆电容)经常随机变化，会使传感器工作不稳定，影响测量精度，甚至超过测量引起的电容变化，导致传感器无法工作。因此，对电缆的选择、安装和连接都有要求。4.2.2电容式传感器的设计要点电容式传感器的高灵敏度、高精度等独特优势与其正确的设计、材料选

11、择和精细加工技术密不可分。在传感器的设计过程中，应具有低成本、高精度、高分辨率、稳定性、可靠性以及在要求的温度和压力范围内的高频响应。1.消除和减少由条纹效应引起的条纹电场畸变，使操作不稳定，增加非线性误差。为了消除边缘效应的影响，在结构设计中可以采用带护环的结构，如图所示。(一)消除边缘效应示意图(二)带保护环的电容传感器结构；2)提高结构设计的保温性能，减少环境温度和湿度变化带来的误差，从而保证保温材料的保温性能。温度变化会改变传感器中零件的几何尺寸和相互位置以及某些介质的介电常数，从而改变传感器的电容并导致温度误差。湿度也会影响某些介质的介电常数和绝缘电阻。因此，有必要从材料选择、结构和

12、加工工艺等方面降低温度等误差，保证绝缘材料的高绝缘性能。电容式传感器的金属电极由低温度系数的铁镍合金制成，但加工困难。也可以采用在陶瓷或应时上喷涂金或银的工艺，使电极可以做得非常薄，这对于减少边缘效应非常有利。传感器的内电极表面不便于经常清洗，应密封；用于防尘防潮。如果电极表面涂有极薄的惰性金属层(如铑等)。)，它可以代替密封件起到保护作用，可以防止灰尘、湿气和腐蚀，并可以降低高温下的表面损耗和温度系数，但成本较高。在传感器中，电极的支撑不仅要有一定的机械强度，还要有稳定的性能。因此，选择温度系数小、几何尺寸长期稳定性好、绝缘电阻高、吸湿性低、表面电阻高的材料。如应时、云母、人造宝石和各种陶瓷

13、。虽然这些材料很难加工，但它们的性能比塑料和有机玻璃高得多。在温度不太高的环境中，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，可以考虑选用。尽量使用空气或云母和其他介电常数温度系数接近于零的电介质(这不是如果可能，传感器应尽可能采用差分对称结构，以便某些类型的测量电路(如电桥)可以用来减少温度等误差。选择50千赫至几兆赫作为电容传感器的电源频率，以降低传感器绝缘部分的绝缘要求。组装前，应清洁并干燥传感器中的所有零件。传感器应密封，以防止湿气侵入内部，这将导致电容变化和绝缘性能下降。传感器的外壳是刚性的，以避免安装过程中变形。(1)为了增加传感器的原始电容值，减小极片或极之间的距离(平板型为0.20.5毫米，

14、圆筒型为0.15毫米)，增加工作面积或工作长度以增加原始电容值，但受加工和装配工艺、精度、指示范围、击穿电压和结构的限制。通常，电容在10-3103 pF范围内变化，相对值在10-61范围内变化。(1)增加传感器的原始电容(2)注意传感器的接地和屏蔽；(3)集成(4)使用“驱动电缆”(双层屏蔽等电位传输)技术(5)使用运算放大器方法；(6)整体屏蔽法，(2)注意传感器的接地和屏蔽图是带接地屏蔽的圆柱形电容传感器。在图中，活动杆筒和连杆固定在一起，并随着测量而移动。传感器的活动极筒和屏蔽壳(良导体)在同一地面上，因此当活动极筒移动时，固定极筒和屏蔽壳之间的电容将保持不变，从而消除了产生的虚假信号

15、。引线电缆也必须在传感器屏蔽罩中屏蔽。为了减少电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆，以缩短传感器到电路前级的距离。带屏蔽壳、固定极筒、活动极筒、连杆、导杆和接地屏蔽的圆柱形电容传感器示意图。(4)采用“驱动电缆”(双屏蔽等电位传输)技术，当电容式传感器的电容很小时，由于某些原因(如环境温度高)，测量电路只能是传感器与测量电路前级之间的导线为双屏蔽电缆，内屏蔽与信号传输线(即缆芯)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了缆芯与内屏蔽之间的电容。因为屏蔽线上的电压会随着传感器的输出信号而变化，所以它被称为“驱动电缆”。使用这种技术可以使电缆长达10m而不影响仪器的性能，如图所示。(3)集成传感器

16、和测量电路本身或其前置级安装在一个外壳中，省略了传感器的电缆引线。这样，寄生电容大大减小，易于固定，使仪器工作稳定。然而，由于电子元件的特性，这种传感器不能在高温、低温或恶劣环境下使用。外屏蔽层接地或与仪器接地，以防止外部电场的干扰。内外屏蔽之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一款同相放大器，具有高输入阻抗要求、容性负载和1的放大系数(精度要求为1/10000)(相移要求为零)。因此，“驱动电缆”技术对1:1放大器有很高的要求，电路复杂，但可以保证电容传感器在电容值小于1pF时也能正常工作。1: 1，测量电路前级，外屏蔽层，内屏蔽层，芯线，传感器，“驱动电缆”技术示意图，当电容式传感器的初始电容值很大(几百F)时，只要选择合适的接地点，仍可采用一般的同轴屏蔽(5)整个屏蔽方法用相同的屏蔽外壳屏蔽电容式传感器、转换电路和传输电缆。正确选择接地点可以减少寄生电容的影响，防止外部干扰。下图显示了差动电容式传感器交流电桥采用的整个屏蔽系统。屏蔽的接地点交流电容电桥的屏蔽系统，C1、C2、CP1、CP2、Z3、Z4，-A，是最容易满足上述要求的变压器电桥。此时，Z3和Z4是两个具有中心抽头且彼此紧密耦合的感应线圈，它们流过ZZ。因为Z3和Z4在结构上完全对称，所以线圈中的合成磁通量接近于零，并且Z3和