第二章 电容式传感器 2011年

1第二章电容式传感器电容式传感器的工作原理电容式传感器的特点电容式传感器的应用电容式传感器等效电路电容式传感器测量电路2第二章电容式传感器●应用●变换原理利用电容器的原理，将被测非电量转换成电容量的转化器件或装置，实质上是一个可变参数的电容器。压力、压力差、风速、位移（微、线、角）、噪声、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等。3δ（一）变换原理:+++A两平行极板组成的电容器其电容量为:Ac0δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。4（二）类型●变极距δ型●变面积型A型●变介电常数ε型51极距δ变化型电容传感器工作原理+++++++++A6传感器的输入——输出特性：初始：工作（如极间距减小）时：输出增量：Ac01Ac0111001Accc7●输出●灵敏度●非线性320Ac043201cccK%100%10032L8差动式中极板上移:●输出:3201Ac3202Ac530212Accc5302c9●灵敏度：●非线性：●差动式与非差动式特性比较：差动式的非线性得到很大改善，灵敏度较非差动式提高1倍。02ccK%100)(2L10变极距型电容式传声器112变面积型电容传感器工作原理+++22初始：rA202rC202rdCSdAc0201-2（）rC（1）角位移型12（2）平面线位移型00abc1()baxCdCbSdxabx平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。13（3）柱面线位移型圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，在实际中最常采用。初始电容量:)/ln(2120rrlCllCrrlrrllrrlC0120120120)/ln(2)/ln()(2)/ln(2输出:143介质变化型电容传感器AC0工作原理15//)(0xxabCδx单组板式厚度传感器a、b——固定极板长度、宽度δ——两固定极板间的距离δx、ε、ε0——被测物厚度及其介电常数、空气的介电常数用途：电介质的厚度、液位，介质材料的温度、湿度、含水率、非金属涂层厚度等。忽略边缘效应，传感器电容量C与被测厚度δx之间的关系：C1C2C3C16•单组平板式线位移传感器（变介质型）：δ忽略边缘效应，传感器电容量与被测位移的关系：0101/)(//)(xxlabblCa、b、lx——固定极板长度、宽度、被测物进入两极板间的长度δ——两固定极板间的距离δ1、ε、ε0——被测物的厚度及其介电常数、空气的介电常数lxC1C2C3CC4C1C2C3CC417●圆筒式液位传感器：（空气介质和液体介质）xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK传感器电容量与被测液位的关系：h2r12r2hxC1CC218eg：设计一柱式电容液位传感器，要求直径分别为40mm和8mm。求:当用于圆柱形储液罐（直径0.5m，高1.2m，被储液体ε＝2.1）液位检测时传感器的最小电容、最大电容和灵敏度(pF/L)各为多少？解：)(46.415ln2.1)/85.8(2)/ln2120minpFmmpFrrlC（空气)(07.871.246.41)/ln2120maxpFpFrrlC（液体)(6.2352.14)5.0(422LmmldV)/(19.06.23546.4107.87minmaxLpFVCCK液罐体积：灵敏度：19（三）C式传感器特点优点:1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关；发热极小）2.结构简单、适应性强3.灵敏度高、动态响应好4.差动型灵敏度和线性高于非差动型；面积型和介质型线性好于极间距型5.可实现非接触测量20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。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响。2、寄生电容影响大寄生电容既降低了传感器的灵敏度又随机变化，会使传感器工作不稳定，影响其测量精度。21运用集成电路工艺把电容敏感元件与测量电路合为一体，构成电容式集成传感器。核心部件是一个对被测加速度敏感的集成电容器。用于加速度测量的集成电容传感器结构示意图衬底第三层多晶硅（定极板）第二层多晶硅第一层多晶硅（定极板）顶帽（限位）悬臂梁（四）应用1加速度测量（集成电容传感器）22①没有加速度作用时12CC②有加速度作用时，悬臂梁与顶层及底层之间产生位移，使其中一个电容增大，一个电容减小，差动输出，输出电容变化量与加速度成正比。23精度较高，频率响应范围宽，量程大，可测很高的加速度231B面A面546Cx1Cx21、5－定极板2－壳体3－弹簧片4－质量块6－绝缘体电容式加速度传感器242压力测量（集成电容传感器传感器）当硅膜的两侧有压差存在时，硅膜发生形变使电容器的两极的间距发生变化，因而引起电容量的变化。电容器的变化量与压差有关。硅膜传感元件：25p2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电容式差压传感器结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)；能测微小压差(0～0.75Pa)，风速测量；测真空或微小绝对压力时：把膜片一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。3压差测量264位移测量a)测振幅被测物振动电容式传感器电容式位移传感器27b)测轴回转精度和轴心偏摆被测轴电容式传感器电容式位移传感器主视图侧视图281电容式传感器等效电路L——连接电缆电感+电容传感器本身的电感ｒ——电缆电阻C0——传感器本身的电容Cp——连接电缆、测量电路、极板与外界形成的总寄生电容Rg——极间等效漏电阻（五）测量电路C0CpRgLrAB29低频等效电路•传感器容抗1/jwc0，L和r的影响可忽略•等效电容C=C0+Cp；等效电阻Re≈RgCRgABC0CpRgLrAB30高频等效电路•传感器容抗1/jwc0变小，L和r的影响不可忽略，漏电阻Rg影响可忽略；C=C0+Cp，而Re≈rreCLABC0CpRgLrAB312测量电路1）电桥电路32见交流电桥的幅度调制（调幅）与解调332)谐振电路0012fLC012()fLCC0000112(1)1ffCCLCCC000(1)2CfffCe2：初始输出34特点:克服变极距型电容式传感器的非线性。运算放大器式电路原理图U0与电容极间距成线性,保证电容传感器的线性。仍存在一定的非线性误差，但A和Zi足够大，误差很小。uCCuCjCjuxx1)(10()/xcSSCuu03)运算放大器式电路设:放大器开环放大倍数A=∞，输入阻抗Zi=∞，可认为运放器输入电流=0，则：将代入上式得：-A～CCxu∑u035电路原理图(a)。供电电压±UE、周期T、占空比为50％的方波。C1、C2传感器输出电容。当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路图(b)。D1通、D2止，C1以极短的时间充电、其影响可不考虑。C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得C2的电流iC2。4)双二极管T形电路C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C236212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL电路特点：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，要求电源高度稳定；③输出阻抗为R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。375)差动脉冲调宽电路R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路G