电容式传感器改

第6章电容式传感器概述电容式传感器电容式传感器的特点是：•小功率、高阻抗;本身发热影响小;•电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗;•静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；•可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；•可进行非接触测量。传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。第6章电容式传感器概述电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器第6章电容式传感器概述电容式传感器电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度第6章电容式传感器6.1电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器——将被测非电量的变化转换为电容量变化。平板电容器的电容根据被测参数的变化分：变极距型电容传感器(d)变面积型电容传感器(A)变介质型电容传感器(ε)dAc第6章电容式传感器变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)第6章电容式传感器6.1.2变极距型电容传感器第6章电容式传感器6.1.2变极距型电容传感器—基本特性若d从d0→d0-Δd,电容量C0→C0+ΔC,则有)111(0000dddAdAddAC00001ddCddCdd当时,变极距式电容传感器有近似线性关系,此时灵敏度10dd01ddCCK第6章电容式传感器01ddCCK①为了获得高灵敏度,一般d0(0.1-1mm)较小,但——d0过小易引起电容器击穿或短路。②电容C与极距d成非线性关系,为了减小非线性误差,通常d变化范围③此类电容传感器仅适于微小位移的测量(0.01um～数百微米)。1.0~01.0/dd6.1.2变极距型电容传感器—基本特性结论怎么办呢？第6章电容式传感器一般变极距型电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。对于云母，5.8~6g图6-3放置云母片的电容器云母片的相对介电常数为空气的7倍,击穿电压远远高于空气的,因此可使极板之间的起始距离大大减小。6.1.2变极距型电容传感器—双介电层000ddAcgg第6章电容式传感器6.1.2变极距型电容传感器—灵敏度/非线性1.灵敏度（变极距型）2.非线性01ddCCK（忽略了线性及以上高次项）00011ddddCC23000000[1...]CdddddCddddd泰勒展开非线性误差：232000000()()...()100%100%dddddddddddd1dd第6章电容式传感器目的：1.提高灵敏度2.减小非线性误差...])()(1[/11302000001ddddddCddCC...])()(1[/11302000002ddddddCddCC...])(2)(22[50300021ddddddCCCC非线性误差：%100)(%100)/(2)/(220030Ldddddd灵敏度：02CCKdd350000022()2()...2CddddCdddd6.1.2变极距型电容传感器—差动平板式第6章电容式传感器第6章电容式传感器6.1.3变面积型电容传感器第6章电容式传感器6.1.3变面积型电容传感器axcc00cc图5-6电容式角位移传感器原理图6-6图6-5变面积型电容式传感器原理图第6章电容式传感器变面积型电容传感器的优点是:输出与输入成线性关系,但与变极距型相比,灵敏度低,适用于较大角位移量及直线位移的测量。6.1.3变面积型电容传感器圆筒形电容器的电容为：其中x为覆盖的长度第6章电容式传感器dDhCln)(20106.1.4变介质型电容式传感器柱式7dDhHdDhcln)(2ln201dDhdDHln)(2ln2010电容的增量正比于被测液位高度,可测量一种流体的液位高度6-7第6章电容式传感器第6章电容式传感器6.1.4变介质型电容式传感器平板式8001200000021)()(21dLbcdLLLbcccrrrr电容变化与电介质的移动量L成线性关系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。第6章电容式传感器电容传感器的等效电路LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce:ceLjCjCj11CLCCce21两点注意：1.工作频率等于或接近谐振频率时,谐振频率破坏了电容的正常作用。因此,工作频率应该选择低于谐振频率。2.电容式传感器的有效电容除与位移有关外,还与角频率有关。因此,在实际应用时必须与标定的条件(ω)相同。第6章电容式传感器6.2电容式传感器的测量电路电容传感器的特点：电容量小、变化更小（PF级）。理论上,交流电桥可作为电容传感器的测量电路,但由于电容及变化太小,不易实现。常采用：1.调频电路2.运算放大器式电路3.脉冲宽度调制电路4、电桥电路第6章电容式传感器6.2.1调频电路11LCf21特点：转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01μm级位移变化量。但非线性较差,可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后,进行补偿。6-9第6章电容式传感器6.2.2运算放大器式电路运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）ixoUCCUdACxdAUCUio特点：1.输出电压与极板距离d成正比2.要求Zi及放大倍数足够大3.为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定4.由于Cx变化小,所以该电路实现起来困难图6-10运算放大器式电路原理图第6章电容式传感器6.2.3脉冲宽度调制电路C1充电,VF。当VFUc时,Q=0,信号反转,Q=1。C1经D1放电。C2充电,VG。当VGUc时,Q=0，Q=1,再次反转。C2经D2放电。21211)(TTTTUuuuBAABC1和C2为差动电容第6章电容式传感器6.2.3脉冲宽度调制电路uAuBuABtttU1U1U0000T10UcuFtT20UcuGt输出电压uAB经低通滤波后,便可得到一直流输出电压Uo,值为A、B两点电压平均值uA与uB之差，即1212112121211oUTTTTUTTTUTTTuuUBA式中:T1、T2分别为C1、C2充至Uc需要的时间,即A点和B点的脉冲宽度;U1为触发器输出的高电位。第6章电容式传感器6.2.3脉冲宽度调制电路1212112121211oUTTTTUTTTUTTTuuUBA设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0,R1=R2UcUUCRT11111lnUcUUCRT11222ln1012121CCUUCCCCuAB当d1=d0-Δd,d2=d0+Δd时,有10UdduAB直流输出电压uAB与极距变化量成正比。10ABΔuU或第6章电容式传感器6.2.3脉冲宽度调制电路对于差动式变极距型电容式传感器,对于差动式变面积型电容式传感器,10oΔUU1oΔUAAU(6-29)(6-30)第6章电容式传感器6.2.4电桥电路交流电桥的多种形式第6章电容式传感器测量电路:电桥电路120212ZZEUZZ120212CCEUCC111Zjc•交流电桥的输出电压为：002EU输出与位移成理想线性关系△σ第6章电容式传感器小结01ddCC变极距型变面积型变介质型电容式传感器单管差分式灵敏度K非线性误差02ddCC%100||0dd%100||20ddaxCC0或0CC测液体高度、纸张厚度、非导电固体湿度第6章电容式传感器小结10oΔUU变极距型变面积型脉冲宽度调制电路差分式输出电压1oΔUAAU第6章电容式传感器电容式传感器的优点：(1)输入能量小而灵敏度高。(2)精度高达0.01%。(3)动态特型好，适合测量动态参数。(4)能量损耗小。(5)结构简单，环境适应性好(高温、辐射等)缺点：电缆分布电容影响大。集成电路、双屏蔽传输电缆等——降低分布电容影响。广泛用于位移、压力、流量、液位等测量。6.3电容式传感器的应用第6章电容式传感器第6章电容式传感器第6章电容式传感器电容式传感器的应用举例1.电容式料位计用于水泥、化工、罐装等传感器静电容：0022()lnlnSXhChDDdd电容测深度、角度第6章电容式传感器6.3电容式传感器的应用（1）电容式压力传感器17第6章电容式传感器电容式传感器的应用举例电容式压力传感器结构：测量膜片（金属弹性膜片）——动片；两个玻璃球面上镀有金属——定片；膜片两侧左右两定中充满硅油。工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，硅油能将压差传递到测量膜片，HLPPP第6章电容式传感器电容式传感器的应用举例电容式压力传感器当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；•当有差压作用时，测量膜片产生形变：PHPL时，膜片PL向弯曲，C1C2，；PHPL时，膜片PH向弯曲，C1C2；•将这种电容变化通过电路转换为电压变化第6章电容式传感器电容式传感器的应用举例．电容式压力传感器电容式传感器电容传感器盒膜结构片P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1第6章电容式传感器第6章电容式传感器6.3电容式传感器的应用（2）加速度传感器6-121第6章电容式传感器6.3电容式传感器的应用（3）差动式电容测厚传感器第6章电容式传感器6.3电容式传感器的应用（3）差动式电容测厚传感器19第6章电容式传感器6.3电容式传感器的应用（4）第6章电容式传感器图6-13电容式传声器第6章电容式传感器6.3电容式传感器的应用（4）电容式传声器第6章电容式传感器齿轮转动时,电容量发生周期性变化,通过测量电路转换为脉冲信号,则频率计显示的频率计显示代表转速。设齿数为z,频率为f,则转速为6.3电容式传感器的应用（5）1—齿轮2—定级3—电容式传感器4—频率计min)/(60rzfn第6章电容式传感器陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面,使膜片产生位移。6.3电容式传感器的应用（6）第6章电容式传感器6.3电容式传感器的应用（7）电容式接近开关第6章电容式传感器第6章电容式传感器智能型电容传感器电路结构兼容协议第6章电容式传感器6-1说明电容式传感器的工作原理及其类型?6-2推导差动式变极距型电容式传感器的灵敏度和非线性误差，并与单一型传感器做比较。6-3说明脉冲宽度调制电路的工作原理及在差动电容相等和不相等时的各点电压波形。6-4变极距型平板电容式传感器，d0=1mm，要求测量线性度为0.1%，求允许测量的最大变化量。思考题与习题第6章电容式传感器本章结束第6章电容式传感器补充实例图4.1(a)所示为检测汽车发动机吸气管负压的传感器。由于压力膜盒发生位移，用差动变压器取出比例于这个位移的电压。测量这个电压，使求得负压。图(b)是另一种传感器示例。由于植物生长使挂在线(靠滑轮改变方向)另一端的法码下降。这个位移量作为差动变压器的输出电压。第6章电容式传感器补充实例差动变压器时将机械位移转换为电压的装置。机械位移……交流电压除厚度、伸长、松弛、角度等外，还有压力、荷重、转距、流量等工业量都可容易地变换成位移，进而用差动变压器变换成电压。成为直流后，就也可以利