2010检测技术-第5章 电容式式传感器资料

传感器与检测技术主讲：刘宇第五章电容式传感器电容器基础知识平板电容器dSC柱形电容器dDLCln2思考：两个平板电容C1，C2串联及并联后的电容值各是多少？电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。特点：–结构简单、体积小、分辨率高；–可实现非接触式测量；–动态响应好；–能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；–电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。应用领域及特点5.1电容传感器的工作原理电容传感器的理想公式：0rAACddεdAε：电容极板间介质的介电常数，ε=ε0·εr，ε0为真空介电常数，εr为极板间介质相对介电常数；A：两平行板所覆盖的面积；d：两平行板之间的距离。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器→变面积型、变间隙型、和变介电常数型。0rAACddεdA改变A、d、ε三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。5.1电容传感器的工作原理5.1电容传感器的工作原理角位移板状筒形5.1.1变面积型电容传感器角位移式电容传感器当动片角位移时，覆盖面积S就改变当=0时：)/1()/1(0CdSCdSC0当0时：这种类型的传感器电容C与角位移成线性关系灵敏度：000CCCCK5.1电容传感器的工作原理1、角位移型5.1电容传感器的工作原理直线位移式电容传感器初始电容：dabC0dxbbadxabCx)(当动极板移动x：xdbC0灵敏度：dbxCKxdbCCCx02直线位移型5.1电容传感器的工作原理本图也是变面积式电容传感器，是右下图的变形其灵敏度为单极板的n倍。5.1电容传感器的工作原理5.1.2变介质型电容传感器因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。这种传感器可用来测量物位或液位，测量厚度，也可测量位移。ε1：液体介质的介电常数ε:空气的介电常数；H:电极板的总长度；d、D：电极板的内、外径；)(ln2ln21dDhdDHdDBdDHAln)(2ln21令BhAC电容量C与位移h呈线性关系!dDhHdDhCln)(2ln215.1电容传感器的工作原理5.1电容传感器的工作原理5.1.2变介质型电容传感器rrddaSSdSdaC/1000可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。5.1电容传感器的工作原理5.1.3变极距型电容传感器初始电容：xSCxd1-动极板2-定极板当动极板1移动向定极板2移动x，其电容值CX为：这里电容量C与X不是线性关系dSC05.1电容传感器的工作原理)d1()d1()d1(d22xdxSxdSxSCxdx当时，1d122x则：)1()d1(0dxCdxSCx此时输入输出呈线性关系，但量程缩小很多5.1电容传感器的工作原理一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。可测量位移精度：0.01微米到0.1微米。23000001CddddCdddd＝00CdCd001CCKdd变极距型电容式传感器的非线性特性：5.1电容传感器的工作原理00011CddCdd＝00dSC灵敏度为：dSCd0d5.1电容传感器的工作原理2000001CddddCdddd＝%100%1000020dddddd＝非线性误差：如仅保留前两项：5.1电容传感器的工作原理变间隙式变面积式在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差大都采用差动式结构。5.1电容传感器的工作原理00d1d2C1C2A图6.9平板电容器的差动式结构10011CCdd－20011CCdd30200011ddddddCC＝30200021ddddddCC＝dSCd0d50300021222ddddddCCCC＝2460000021CddddCdddd＝002CdCd002CCKdd灵敏度为：5.1电容传感器的工作原理%100%1002220030dddddd＝非线性误差：灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善002CdCd001CdCd0100%dd20100%dd5.1电容传感器的工作原理5.2电容传感器的测量电路用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有：二极管双T形交流电桥、脉冲调制电路、调频电路、变压器电桥、运算放大器等电路。5.2.1调频电路鉴频限幅调频振荡器CoL电容式传感器ffu放大u输出5.2电容传感器的测量电路5.2.2变压器电桥测量电路22101212ZZZZZ2ZZ2UUUU－＝－＝＋＋120122CCUUCC－＝＋5.2电容传感器的测量电路5.2.2运算放大器测量电路如果传感器是一只平板电容,则Cx=εA/ddAcUUi0说明运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。5.2电容传感器的测量电路5.2.3双梯形二极管测量电路D2D1eC1C2ABR2R1RLR2RLR1I1I2(a)(c)(d)C1C2R1RLR2C1C21I2IEEet1t2tTo(b)EE当传感器没有输入时：C1＝C2一个周期内流过负载的平均电流为0当传感器有输入时：C1！＝C2一个周期内流过负载的平均电流为不为0，负载上电压也不为0。这种电路优点是：电路简单，响应速度快5.2电容传感器的测量电路5.2.4脉冲宽度调制电路1A＋－2A－＋双稳态触发器1C2CQQABMN2R1RD1D20uruC1＝C2C1C2且C1＞C25.2电容传感器的测量电路5.2电容传感器的测量电路变极距型：变面积型：12012)ABDCmCCuuuCC＝(00mduud00mAuuA差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式差动电容传感器，且为线性特性。5.2电容传感器的应用电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。1、电容式加速度传感器质量块由弹簧支撑，在壳加速度作用下，质量块在两固定电极间振动，从而改变电容C1、C2值5.2电容传感器的应用2、电容式应变仪曲率不同的两拱弧薄板间安装两平板电容器，当拱弧的两固定点受压缩变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变，应变C5.2电容传感器的应用3、电容式荷重传感器在弹性钢板内平行圆孔间设置平行板电容器，当钢板受压力变形时，平板电容传感器两极板间距改变，从而电容量改变，主要用于重负载的测量。5.2电容传感器的应用4、电容式振动、位移测量仪被测工件有振动或位移，与固定电极金属板间距离改变，从而电容量改变。5.2电容传感器的应用5、电容测厚仪轧制金属厚度在线监测5.2电容传感器的应用6、电容式物位计液位检测料位检测R4R3θabcdRPOUi2143CXCO图3—14电容式油量表1—油箱2—圆柱形电容器3—伺服电动机4—减速器h5.2电容传感器的应用7、电容转速计及电容传声器5.2电容传感器的应用8、湿度测量湿敏电容一般用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。5.2电容传感器的应用9、电容式键盘常规的键盘有机械按键和电容按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。利用变极距型电容传感器实现信息转换5.2电容传感器的应用10、指纹识别硅电容指纹图像传感器这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器,其外面是绝缘的表面。课后习题1、电容式传感器可分为_______、________和________三种。2、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）A、变间隙式B、变介电常数式C、变面积式D、空气介质变间隙式3、电容式传感器是将被测物理量的变化转换成的器件。如图所示正方形平板电容器,极板长度a=4cm,极板间距离δ=0.2mm.若用此变面积型传感器测量位移x,试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线.极板间介质为空气,F/m1085.812-0xa课后习题解：这是个变面积型电容传感器，共有4个小电容并联组成。）（PF32.28102.01085.81016442124200aC)(PF)8.7032.28()(400xkxCxaaCx(PF)400axCCCx8.701021041085.844C32120axK10203040pFCx1234xcm0课后习题