4电容式传感器1

传感器技术山东科技大学信电学院-----范迪电话：[phone]Email：[e-mail]第4章电容式传感器4.1工作原理及结构类型4.2灵敏度及非线性4.3特点及等效电路4.4信号调理电路4.5应用举例4.6电容式传感器的设计要点4.1工作原理及结构类型4.1.1工作原理ε--两个极板间介质的介电常数；s--两个极板相对有效面积；d--两个极板间的距离。dblCdrC22rRlCln20rAACdd忽略边缘效应补充：求长度为l的柱形电容器的电容解：设带电量为QQlrE2drrlQURR21212ln2RRlQUQC12ln2RRl高斯定理：柱形1R2Rl000ddACgg00,dggd,g00xgxdxlbdbxCggg)(004.1.2结构类型三种类型：变极距型d、变面积型S、变介电常数型。变极距型变介电常数型变面积型4.2灵敏度及非线性4.2.1变极距型00dAC000/11ddCddAC初始状态：当极距减小Δd时20000)(1ddddddCC00ddC00dCdCS0''ddCCC灵敏度：非线性误差：d2变极距型电容传感器1当Δd/d0很小时0000/1/ddddCCCCCC0C-d特性曲线d即C0时的灵敏度差分型：3020001)()(1ddddddCC3020002)()(1ddddddCC40200021)()(12ddddddCCCC002dCdCS20(）dd1dgd提高灵敏度的方法：1）减小极距2）增大面积3）增高介电常数010ddACgg活动极板在中间，初始状态时C1=C2=C04.2.2变面积型00)(dAACCC设：，则：00dAdA00dACCC0dACS0dAC平板直线位移：角位移：xbA0dbxCS22rA022drCS圆筒直线位移：lA2rRlCSln2灵敏度：非线性误差：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。几种介质的相对介电常数4.2.3变介电常数型//)(0xxabCC1C2C3CC400/)(//)(xxxxlabblCC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK液位传感器电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示例1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εr＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：pFmmpFrRHC46.415ln2.1)/85.8(2ln20minpFpFrRHCr07.871.246.41ln20maxLmmHdV6.2352.14)5.0(422LpFLpFpFVCCS/19.06.23546.4107.87minmax例2有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8cm2，两极板间的距离为1mm，极板间介质为空气。已知空气的相对介电常数为1.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。解：pFFdACr708.0)(10708.01011080006.11085.8123412000)/(708101708.0300mpFmpFdCSx初始电容值：位移灵敏度：例3一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙d0=0.3mm，介电常数，问：1）工作时，如间隙变化量Δd=±1µm时，电容变化量是多少？2）如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，在Δd=±1µm时，读数仪表的指示值变化多少格？mF/1085.812解：pFFrdAC48.1)(1048.1103.01085.812321200)/(4930103.048.1300mpFmpFdCSpFmmpFdSC31093.4)1()/(4930格格465.2/5/1001093.4321mVpFmVpFSSCN1）2）例4变极距型电容传感器的初始极距为d0=1mm，若要求非线性误差为0.1%，求允许的最大测量距离。解：0dd非线性误差：故：%1.00ddmdd1%1.00因此，允许的最大测量距离为：2m4.3特点及等效电路4.3.1特点优点：①温度稳定性好；②结构简单、适应性强；③动态响应好；④可以实现非接触测量，具有平均效应。缺点：①输出阻抗高，负载能力差；②寄生电容影响大；③输出特性非线性。4.3.2等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；R由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C为传感器本身的电容；Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容;Rg是极间等效漏电阻、极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗。低频等效电路传感器电容的阻抗非常大，L和R可忽略；等效电容C=C0+Cp，等效电阻Re≈RgCRg高频等效电路电容的阻抗变小，L和R不可忽略，漏电的影响可忽略，其中C=C0+Cp，而Re≈RReCLRCjLjCje11LCCCe21由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此时电容传感器的等效灵敏度为2222)1()1/(LCkdLCCdCkgee当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。4.4信号调理电路4.4.1运算放大电路AUOUCxCUCCUxOUAdCUO对于变极距型电容传感器，输出电压与极距的变化成线性关系；对于变面积和变介电常数型电容传感器，可互换C与Cx位置，使得输出电压与变面积或变介电常数的变化成线性关系。4.4.2电桥电路21212CCCCUUO对于变极距型：ddAC01ddAC0202ddUUO对于变面积型：01)(dAAC02AAUUO02)(dAAC4.4.3调频电路C)(2100CCCLfC)(21)(21000CCCLCCCCLfffCCCLf21谐振频率为：xCCCCC其中：初始频率：频率变化量：)(212101CCCCLLCfi具有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化量；易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强。4.4.4双T型充放电网络fCCURRRRRRULLL)()()2(2120正半周负半周电路的特点：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。采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高优点：4.4.5脉冲调宽型电路UCCCCUTTTTUUUBA212121210EURCTln11EURCTln22其中4.5应用举例1、差分式电容压力传感器2、电容式加速度传感器3、电容式料位传感器4、电容式位移传感器一、电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它的输出是开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯二、硅微加工加速度传感器图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。汽车气囊对驾驶员的保护作用利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置三、湿敏电容利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。湿敏电容外形吸水高分子薄膜湿敏电容模块及传感器外形湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形四、电容式油量表机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。电容式油量表当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x处）。上页所示的油量表在倾斜状态时可以使用吗？为什么？该油量表可用于飞机油箱齐平式非齐平式五、电容式接近开关非齐平式接近开关的安装非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。全密封防水式远距离式（大量程）电容接近开关的规格电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位物位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示4.6电容式传感器的设计要点4.6.1保证绝缘材料的绝缘性能4.6.2消除和减小边缘效应4.6.4防止和减小外界干扰4.6.3消除和减小寄生电容的影响4.6.1保证绝缘材料的绝缘性能①电极材料；②电介质材料；③制作工艺；④差动结构4.6.2消除和减小边缘效应①减小极距；②设等位环；4.6.3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1：1＋－测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图6）整体屏蔽法5）采用运算放大器法与传感器电容相并联的等效电缆电容为Cp/(1＋A).4.1工作原理及结构类型4.1.1工作原理4.1.2结构类型4.2灵敏度及非线性4.2.1变极距型