传感器第6章++电容式传感器

第6章电容式传感器6.1电容式传感器的工作原理及结构形式6.2传感器的等效电路6.3传感器的信号调理电路6.4影响传感器精度的因素6.5传感器应用工作原理：利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量的变化。优点：结构简单、体积小、分辨率高、频响范围宽、可非接触测量。缺点：电容量小，输出阻抗高；存在寄生电容，导致性能不稳定；有的传感器输出特性为非线性。应用：位移、振动、加速度、压力、液位、湿度等。6.1电容式传感器的工作原理及结构形式相对节点常数—介质、真空中介电常数—、极板间距极板相对覆盖面积当忽略边缘效应时00rrdAdAdAC电容式传感器的电容极板之间存在静电场。由于极板边缘效应的存在，使边缘处的电场分布不均匀，造成电容的边缘效应，这相当于在传感器的电容里并联了一个附加电容，边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量减小并消除电容边缘效应的影响。根据电容器变化参数的不同，分为3种类型：①变间隙式：测量微小（0.01μm-零点几mm）线位移；②变面积式：测量角位移或较大线位移；③变介电常数式：测量液位、固体厚度、介质湿度、密度。6.1.1变间隙式电容传感器dAdACr0000003020000000000000001])()()(1[/1/)ddd(ddCdCSddCCddddddddddddddCCdAddACdACn传感器灵敏度得近似线性关系当电容相对变化，电容增量设减小当初始电容母、塑料膜。介电常数的材料，如云为此，极板间可采用高穿或短路，，但容易引起电容器击应减小可见，要提高灵敏度，0d22102211021///111ddAddACCCC有了云母片，极板间起始距离可大大减小。。差，应增大可见，要减小非线性误）（则相对非线性误差）（若考虑线性项与二次项00020000302000000%100||%100||||1])()()(1[/1/dddddddddddCCddddddddddddCC差动式电容传感器%100)(22000dddCdCSn非线性误差传感器灵敏度差动结构的优点：灵敏度提高一倍；非线性误差大大下降；还能减小静电引力带来的误差，改善环境影响造成的误差。6.1.2变面积式电容传感器（1）角位移式dACCCdACdAC电容增量时，当时，当000)1(00（2）线位移式dbxCSxdbCCCdxbCdxabCdbaCnxx灵敏度000)(增大极板边长b，减小间隙d，都可以提高灵敏度。但边长a过大，边缘效应会影响线性特性。6.1.3变介电常数式电容传感器（1）测量液位正比于被测液位高度可见，变换器电容增量此时变换器电容dDhCdDhCdDhdDhdDhHdDhCln2ln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011（2）测量纸张、绝缘薄膜厚度或粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质湿度成线性关系。的移动量质可见，电容变化量与介电容相对变化量初始电容总电容量LLLCCCCCdbLCdLLLbCCCrrrr2)1()(000000000000021221ε0ε1d0d1如果ε0为空气介电常数，ε1为待测体介电常数，当待测体介电常数ε1不变时，此时电容传感器可作为测厚仪。6.2电容式传感器的等效电路Rp—极板间的泄漏电阻和介质损耗Rs—引线电阻、电容器支架、极板电阻损耗L—电容器本身电感和外部引线电感因此，它有一个谐振频率，传感器要正常工作，应选择低于传感器谐振频率的工作频率，否则，电容器不能正常工作。6.3电容式传感器的信号调理电路1.电桥电路2.调频电路3.谐振电路4.运算放大器电路5.脉冲宽度调制电路6.正反馈同相积分电路ToTwo目的：传感器电容值非常微小，必须通过信号调理电路将微小电容变换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输。1.电桥电路滤波K相敏检波L1L2C1C2~To4.2.3电路灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，因此简化屏蔽和接地，适于高频工作，应用很广泛。但电桥输出电压幅值小，输出阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作。00ddEU将传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化后，振荡器的振荡频率就发生变化，通过鉴频器将频率变化转化为振幅的变化，经放大后用仪表指示。2.调频电路特点：抗外界干扰强，特性稳定。To4.2.3调频振荡器传感器混频器限幅放大器鉴频器非线性校正输出f0fz调频振荡器fb直放式调频电路方框图ffCCCLLCfCCCLCCCLf02010212010)C(2121)(21器的振荡频率被测量不为零时，振荡：传感器初始电容：传感器引线分布电容：振荡回路固定电容：振荡回路电感调频振荡器的固有频率3.谐振电路将传感器电容C3作为谐振回路调谐电容（L2、C2、C3）一部分特点：灵敏度高；缺点：工作点不易选取，变化范围较窄；传感器与谐振回路要离得较近，否则电缆杂散电容对电路影响大；要求振荡器频率稳定，否则对测量精度影响大。4.运算放大器式电路特点：能够克服变间隙电容式传感器的非线性，使V－X成线性关系。To4.2.3iu0CxCouoIxII-K5.脉冲宽度调制电路6.4影响电容传感器精度因素及提高精度的措施ToTwo6.4.1.温度的影响1)对结构尺寸的影响原因：温度变化引起部分零件尺寸变化，导致极板间隙或面积变化，产生附加电容。制造时，选用温度系数小、几何尺寸稳定的材料，如陶瓷或石英上喷镀一层金属作为电极。2)对介电常数的影响原因：介质的介电常数有不为零的温度系数，产生附加电容。可由后续测量线路进行补偿，但不可完全消除。使传感器灵敏度下降输出产生零位漂移ToTwo6.4.2漏电阻选用绝缘性能良好的材料作两极板支架，如陶瓷、石英等；采用高的激励电源频率，降低传感器内阻抗。电容式传感器的电容量很小，如果激励频率较低时，内阻抗就很高，所以绝缘问题就很突出。一般的绝缘电阻将被看做是对电容式传感器的一个旁路，与之并联，称为漏电阻。使传感器灵敏度下降非线性增加ToTwo6.4.3边缘效应增大初始电容，即增大极板面积或减小极板间距加装等位环寄生电容：电容器极板与周围物体之间产生的电容联系。危害：使传感器电容改变，导致传感器特性不稳定，从而带来干扰。ToTwo6.4.4寄生电容的影响缩短传感器至测量线路前置级的距离，即集成化。驱动电缆法（等电位屏蔽法）内屏蔽层与芯线通过1：1放大器而等电位，从而消除芯线与内屏蔽层之间的电容。一般用于当电容传感器的电容值很小，而因某些原因，测量电路只能与传感器分开时，可采用这种方法。整体屏蔽法将整个电桥用一个统一的屏蔽罩保护起来1.电容式测微仪用以测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等参数，一般采用单极式变间隙电容传感器,即被测物体作为传感器的一个极板，另一个极板在传感器内，最小检测量为0.01μm。6.5电容式传感器的应用2.差动电容式压力传感器ToTwo（动电极）（固定电极）（固定电极）当被测压力或压差作用于膜片并产生位移时，形成一个差动式极距型传感器。3.电容式液位传感器4.硅电容式加速度传感器当有加速度施加时，活动极板（质量块）将产生微小位移，引起电容变化，，此由开关电容电路检测形成两路脉宽调制信号。而这种脉宽调制信号产生的静电力总是阻值活动电极偏离零位，且与加速度成正比。6.6小结电容式传感器有如下特点参数变化大、极低的内耗性能、高的动态响应。ToTwo电容式传感器缺点寄生电容影响大、非线性。本章需掌握的重点1）工作原理及结构型式；2）δ－C的特性；3）等效电路；4）影响精度的因素及提高精度的措施；5）信号调节电路。