ch4+电容式传感器及其应用.ppt

1、第4章 电容式传感器,应用：在位栘、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。,利用电容器的原理，将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器件。,HM1500湿度传感器,学习目标： 1. 掌握各类电容传感器的工作原理和结构。 2. 分析各种电容式传感器测量电路的特点。 3.掌握电容式传感器的应用。,4.1 电容式传感器的工作原理及类型,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为,式中: 电容极板间介质的介电常数; A两平行板所覆盖的面积; d两平行板之间的距离。,一、电容式传感器的工作原理,（4 - 1）,在d、A

2、和三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容量C发生改变。,三种基本类型： 变极距(变间隙)(d)型 变面积型(A)型 变介电常数()型,二、电容式传感器类型,按结构分类 平板式 圆柱、圆筒式,按原理分类： 变间隙电容传感器 变面积电容传感器 变介电常数电容传感器,当传感器的和A为常数, 初始极距为d0时, 可知其初始电容量C0为,1、变极距型电容传感器,极距增加d时：,其输出特性是双曲线函数关系，存在着非线性。,当dd很小时，上式可按级数展开,电容的相对变化量：,灵敏度：,若略去非线性项，保留常数项,如何减小非线性误差、如何提高灵敏度,测微小量，灵敏度与初始极距平方成反比,减小

3、非线性误差：,d/d0很小时，C1与d近似呈线性关系 采用差动形式的电容传感器,采用差动形式的変气隙式电容传感器,极距变化型差动式输出特性(动极板向上运动):,偶次项消失！,单组式,差动式,差动式比单组式电容传感器的非线性误差减小一个数量级。,非线性误差分析：,单组式,差动式,差动式比单组式电容传感器的灵敏度提高一倍。,灵敏度分析：,当d0过小, 容易引起电容器击穿或短路。为此, 极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质, 此时电容C变为,式中: g云母的相对介电常数; 0空气的介电常数, 0= 1; d0空气隙厚度; dg云母片的厚度。,提高灵敏度：,d0同样的d变化所引起的C增

4、大,云母片的相对介电常数是空气的7倍, 其击穿电压不小于1000 kV/mm, 而空气的仅为3kV/mm。 因此有了云母片, 极板间起始距离可大大减小。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m的范围, 最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广。,变面积型电容传感器原理结构示意图,2、变面积型电容式传感器,极板线位移变面积式传感器,直线位移 角位移,电容的相对变化量为：,直线位移,注意：变面积电容传感器，可动极板的移动距离不能太 大，否则边缘效应增加，产生非线性，影响测试精度。,采用差动式，可获得较大的线位移或角位移，提高灵敏度和

5、克服边缘效应。,平板形结构对极板移动变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。,L 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； D0 外圆筒内半径 D1 内圆柱外半径。,线位移单组式的电容量C为：,当两圆筒相对移动L 时，电容变化量C 为:,这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。,角位移,当动极板有一角位移时时，与定极板的遮盖面积就改变，从而改变了两极板间的电容量。,当=0时，,当 0 时，,电容的相对变化量为：,总结,3、变介质常数型电容传感器,常用来检测片状材料的厚度、容器中液面高度，还可用来测量介质的介电常数、温度、湿度等。,测厚仪,

6、介电常数测试仪,测厚仪,总电容为C1与C2串联的结果,可见，传感器电容量C 与被测液位高度h 成线性关系。,电容液位计,总电容为C1与C2并联的结果,例: 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L),解：,4.2 电容式传感器的等效电路和测量电路,被测物理量电容转换电路电压或其它电量,电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并将其转换成电压或其它电量的电路,图中C为传感器电容，Rp为极板间漏电和介质损耗电阻；Rs包含导

7、线、极板间和金属支座等损耗电阻；Ls为电容器及引线电感；Cp为寄生电容，并联关系。,电容传感器的等效电路,s,一、等效电路,电路的谐振频率：,一般， Rp、 Rs可忽略，等效电容、等效阻抗：,每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。,供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其1/31/2，传感器才能正常工作, 电容式传感器中电容值以及电容变化都非常小, 难以直接为目前的显示仪表所显示 ！,二、电容式传感器的测量电路,借助测量电路以检出这一微小电容增量, 并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。,1、 电桥电路,电容式传感器交流电桥 若另两个臂是紧耦合电感臂的电

8、桥，则具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。 变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。,电容电桥的主要特点： (1) 高频交流正弦波供电； (2) 电桥输出调幅波，要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施； (3) 通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥； (4) 输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。,2、 二极管双T型交流电桥,高频电源, 它提供幅值为UE 的对称方波,VD1、V

9、D2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,电路工作原理: 正半周1： VD1、VD2, C1充电; 负半周1：C1上的电荷通过R1、RL放电, 流过RL的电流为I1 。同时 VD2 、VD1, C2充电; 正半周2：C2通过电阻R2, 负载电阻RL放电, 流过RL的电流为I2 。 根据上面所给的条件, 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。,若传感器输入不为 0, 则C1 C2I1I2RL上有信号输出, 其输出在一个周期内的平均值为,则,f为电源频率,令,电路的特点： (

10、1) 线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响； (2) 电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； (3) 输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点； (4) 适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。,Q=1, =0：A点高电位通过R1对C1充电, 1 = R1 C1, 直至F点电位高于Ur, 比较器A1输出正跳变信号。与此同时, 因 = 0, 电容器C2通过VD2迅速放电至零电平。A1正跳变信号激励触发器翻转, 使Q = 0, = 1, 于是A点为低电位, C1通过VD1迅速放电, 而B点高电位通过R2对C2充电, 时间常数为2=

11、R2C2, 直至G点电位高于参比电位Ur。,3、 脉冲宽度调制电路 C1、C2：电容传感器；R1=R2, A1、A2为比较器。,U1触发器输出高电平;T1、T2C1、C2充放电至Ur所需时间。,设R1=R2=R，则得,输出的直流电压与传感器两电容差值成正比,结合平行板电容的公式, 在变极板距离的情况下可得,d1、d2分别为C1、C2极板间距离,由此可见, 差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器, 并具有线性特性, 且转换效率高, 经过低通放大器就有较大的直流输出, 且调宽频率的变化对输出没有影响。,当差动电容C1 = C2 = C0, 即d1 = d2 = d0时, u

12、AB = 0; 当C1 C2, 设C1 C2, 即d1 =d0 -d, d2 = d0+d, 则,同样, 在变面积电容传感器中, 则有,4、 运算放大器式电路,运算放大器式电路原理图,运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性关系,4.3 电容式传感器主要性能及特点,一、主要性能,二、特点,1、优点 (1) 温度稳定性好,传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生

13、零漂。,(2) 结构简单、适应性强,电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。,(3) 动态响应好,电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。,(4) 可以实现非接触测量、具有平

14、均效应,当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。,2、缺点 (1) 输出阻抗高、负载能力差,电容式传感器的容量一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，带负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。

15、,(2) 寄生电容影响大 引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度；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，,(3) 输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。 上述不足直接导致电容式传感器测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服，成为一种大有发展前途的传感器。,三

16、、设计要点,电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。 1保证绝缘材料的绝缘性能 减小环境温度、湿度等变化所产生的误差,以保证绝缘材料的绝缘性能,温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变,从而改变传感器的电容量,产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。,2消除和减小边缘效应,边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的

17、非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。,在结构上增设等位环来消除边缘效应。等位环3与电极2在同一平面上并将电极2包围，且与电极2电绝缘但等电位，这就能使电极2的边缘电力线平直，电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。,寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法：,3消除和减小寄生电容的影响,（1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽； （3）集成化 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法； （6）整体屏蔽法,5防止和减小外界干

18、扰 当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为：,屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。 增加原始电容量，降低容抗。 导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。 尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。 采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。,4.4 电容式传感器的应用,（1）

19、测定角度：,（2）测定液面高度h：,（3）测定压力F：,（4）测定位移x：,1、 电容式压力传感器 一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。,P1,凹形玻璃,膜片,金属镀层,当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时, 形成的两个电容器的电容量, 一个增大, 一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。,超高压、小压差（过载保护能力强） 采用球面电极，改善性能 工艺要求高，张紧膜片与壳体的焊接困难,特点：,2、 电容式加速度传感器 两个固定极板（与壳体绝缘）, 中间有一用弹簧片支撑的质量块, 质量块的两个端面经过磨平抛光作为可动极

20、板。 传感器壳体随被测对象作加速运动, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向产生正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化, 一个增加, 一个减小, 从而使C1、 C2产生大小相等, 符号相反的增量, 此增量正比于被测加速度。 ,特点：频率响应快和量程范围大, 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。,电容式位移传感器能把物体位移这个力学量转换为电容这个电学量,3、 电容式位移传感器,4、 差动式电容测厚传感器,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C