第四章电容式传感器

第四章电容式传感器绪论4.1电容式传感器的工作原理及形式4.2电容式传感器的等效电路及特性4.3电容式传感器的信号变换电路4.4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施绪论1电容器是电子技术的三大无源元件之一，利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化，在1920~1925年就有人利用电容传感器成功地测量了压力、位移、重量、温度，但实验室的结果应用到工业上有许多具体困难，因此，电容式传感器在几十年内相对于电阻式发展缓慢，但随着新材料、新工艺、新电路的开发，其中一些缺点逐渐得到克服，应用也越来越广泛，目前，电容传感器已在位移、厚度、物位、温度、振动、转速、流量及成份分析中得到广泛应用。基本原理:绪论2优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。电容传感器转换电路被测量电容值变化电信号非电量C电量4.1电容式传感器的工作原理及形式4.1.1工作原理4.1.2变极距型电容式传感器4.1.3变极板面积型电容传感器4.1.4变介电常数型电容传感器4.1电容式传感器的工作原理及形式14.1.1工作原理1.平行板电容器+-dA平行板电容器电力线当平行板的间距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。：板级间的距离：板级的面积真空中的介电常数常数板级间介质的相对介电板级间介质的介电常数dA/dAdACrr).(:::21200NmC10858忽略了边缘效应RrL同心圆筒形电容器2.同心圆筒形电容器：筒长：外筒内半径：内筒外半径真空中的介电常数常数板级间介质的相对介电板级间介质的介电常数LRr/rRLrRLCrr).(:::lnln21200NmC1085822忽略了边缘效应:L(R–r)在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在待测对象的作用发生变化，其电容量将随之改变，这就是电容式传感器的物理基础。对于平行板电容器可以变化的参数有：ε、A、d等；对于同心圆筒形电容器可以变化的参数有：ε、L、r/R等。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(ε)型4.1电容式传感器的工作原理及形式2.:;:）初始板间距（初始极距初始电容量0000dCdAC当极距d0→d1=d0-Δd时，则电容量C0→C1。度较高。相应会大一些，即灵敏小一些，则所以初始极距，由于。时，当CdddCCddCCdddddddAdddAddAdAC00000020000111,11100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25～200μm之间，Δd/d00.1（非线性误差不可太大）。利用Δd→ΔC的特性，可以测量微小位移或厚度。4.1电容式传感器的工作原理及形式34.1.2变极距型电容式传感器（平行板电容器式）+++dA4.1电容式传感器的工作原理及形式4举例:+++AC0+++4.1电容式传感器的工作原理及形式5举例:4.1电容式传感器的工作原理及形式64.1.3变极板面积型电容传感器电容：相对变化：0000)(bllCCC00llCC灵敏度：0000blClCK角位移传感器模型：两半圆形板极(定板极和动板极)的间距为d,面积均为A，可绕同圆心转动，其夹角为θ。CCCdAdACAAdAC001110011100：板级间的的相对面积为时，。时，C1（ΔC）与θ（角位移）成线性关系。动极板平板电容式角位移传感器定极板4.1电容式传感器的工作原理及形式6举例:D0D1La圆柱形电容式线位移传感器同心圆筒形线位移电容式传感器模型：如右图。初始电容C0：：筒长LCLDDLCDDLCrr)/;/(ln.,lnpFcm80121001000成线性关系。与aLaCDDaLCr,ln1201001当内筒上移为a时，内外筒间的电容C1为：定极板4.1电容式传感器的工作原理及形式7举例:4.1电容式传感器的工作原理及形式84.1.4变介电常数型电容传感器变介质片电容器传感器12d1d2LaBCAC模型：如右图，这种电容可以看成是CA、CB两个电容的并联。设板极宽度为b则：1122ddbaCA112ddaLbCB)(11211211221121122ddbaddbLddbaddaLbddbaCCCBA)(1120ddbLCLaddCC212121011C与a成线性关系4.1电容式传感器的工作原理及形式9举例:若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为液位传感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK4.1电容式传感器的工作原理及形式10举例:电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。4.2电容式传感器的等效电路及特性4.2.1电容式传感器的等效电路4.2.2电容式传感器的几个典型特点4.2.3边缘效应及修正4.2电容式传感器的等效电路及特性4.2.1电容式传感器的等效电路PRSRLC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:eCCjLjCje11。时在，得CCCLCLCCee01122容抗感抗CCCLCCCCLCCCCLCCCCLCCLCLCCCLCLCCCCCLCCCCCeee11)](1[)())(1()(11)(11)(1)](1[222222222，eeCCCLCCC)(12CLCCCCCCee2111时：有关。、与还有关不仅与LCCCCee,1.高阻抗直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/(jωC)由于C一般较小，当频率ω不太高时交流阻也很大。2.小功率视在功率PC=UI=U2ωC，由于C很小，则在频率ω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。4.2电容式传感器的等效电路及特性4.2.2电容式传感器的几个典型特点4.2电容式传感器的等效电路及特性4.2.3边缘效应及修正+-带保护环的平行板电容器保护环+-d平行板电容器电力线2rAh边缘效应dhfdrrdrCr1620ln实际电容量：修正方法：使用保护环。4.3电容式传感器的信号变换电路4.3.1交流不平衡电桥4.3.2运算放大器电路4.3.3差分脉冲调宽电路4.3电容式传感器的信号变换电路电容传感器的电容量很小，需要一些信号调节电路将微小电容的变化量转换成与其成正比的电压电流的频率，可显示记录、传输、这些电路通常是运算放大器式电路、电桥电路、调频电路、谐振电路、二极管T型网络、脉动宽度调制电路。4.3电容式传感器的信号变换电路4.3.1交流不平衡电桥电路时。，，当电桥平衡。时当12011021222111043214332110NZZUUZZZZZZZZUZZZZNZZZZZZUUACAC.~~~~)~~(~~~~~~,~~~~~~,~~~~~~~~对于差动电桥：2d1d2C1C动板极定板极差动电容传感器双T二极管交流电桥4.3电容式传感器的信号变换电路4.3.2运算放大器电路-KCxC0U0Ui运算放大器测量电路aixxxUCCUCjZCjZ~~1~,1~0000反相比例放大器：.~~~~00ZZUUxixixxdACUUdAC00~~dACCCCUUxxi00000~~4.3电容式传感器的信号变换电路4.3.3差分脉冲调宽电路4.4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施4.4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施1.在设计传感器过程中，在所要求量程、温度和压力等范围内，应尽量考虑影响传感器精度的因素，并提高精度所要采取的一些措施。减小温度对结构尺寸的影响温度会造成结构尺寸改变，从而改变C，产生温度误差，所以适温度系数小的材料减小温度对介质的介电常数影响温度会使ε改变，改变C，不能完全消除（可补偿后处理电路）减小漏电阻的影响漏电阻影响灵敏度下降，适绝缘性好的材料作支架4.4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施2减小边缘效应和寄生电容影响边缘效应和寄生电容使传感器产生非线性，降低灵敏度。4.5电容式传感器的应用4.5.1电容式压力传感器4.5.2电容式加速度传感器4.5.3电容式料位计4.5.4电容测厚仪4.5.5电容式气体浓度仪4.5.6电容式油量表4.5.7电容式湿度传感器4.5.8电容式接近开关4.5.1电容式压力传感器图4.10差动式电容差压传感器1：弹性平膜片（动极）；2：凹玻璃圆片；3：金属镀层（定极）；4：低压侧进气孔；5：输出端子；6：空腔；7：过滤器；8：壳体：9－高压侧进气孔4.5.2电容式加速度传感器图4.13电容式加速度传感器1：绝缘体；2：固定电极；3：质量块；4－弹簧片4.5.3电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示4.5.4电容测厚仪电容测厚仪主要用于测量金属带材在轧制过程中的厚度，其工作原理如图所示。4.5.5电容式气体浓度仪图4.16测气体浓度的检测系统图1：红外灯丝；2：同步电动机；3：调制片；4：工作室；5：滤波室；6：电容器膜片；7：检测器；8：记录仪；9：测量和放大电路；10：电容器固定极；11-参比滤波室4.5.6电容式油量表图4.17电容式油量表示意图1：油箱；2：圆柱形电容器；3：伺服电机；4－减速器4.5.7电容式湿度传感器电容式湿度传感器主要用来测量环境的相对湿度。传感器的感湿元件是高分子薄膜式湿敏电容，其结构如图所示。它的两个上电极是梳状金属电极，下电极是一多孔透气性金属电极，上下电极间是亲水性高分子介质膜，两个梳状上电极、高分子薄膜和下电极构成两个串联的电容。当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量改变。4.5.8电容式接近开关电容式接近开关是根据变极距型电容式传感器原理设计的。其中装在传感器主体上的金属板为定板，被测物体上的相对应位置上的金属板相当于动板。工作时，当被测物体位移后接近传感器主体时(接近的距离范围可通过理论计算或实验取得)，由于两者之间的距离发生了变化，从而引起传感器电容量的改变，使输出发生变化。