2006_检测_8_电容式传感器

Cha.8电容式传感器典型应用范围：(角/线)位移（直接被测量），物位；振动，加速度；成分含量，液体层析一、电容式传感器的结构和工作原理基本工作原理（平行板电容器）：板级间的距离：板级的面积真空中的介电常数常数板级间介质的相对介电板级间介质的介电常数dA/dAdACrr).(:::21200NmC10858+-dA平行板电容器电力线忽略了边缘效应当平行板的间距d远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。1、变极距型电容式传感器.:;:）初始板间距（初始极距初始电容量0000dCdAC当极距d0→d=d0+Δd时，则电容量C0→C度较高。相应会大一些，即灵敏小一些，则所以初始极距，时，当CdddCCddCCdddddddAdddAddAdAC0000002000011,11100C00然而，d0受介质的绝缘强度限制（空气:约3KV/mm），不可太小。通常，d在25～200μm之间，Δd/d00.1（非线性误差不可太大）。利用Δd→ΔC的特性，可以测量微小位移或厚度。变极距型电容式传感器工作示意图2、变面积型电容传感器以角位移传感器为例。模型：两半圆形板极(定板极和动板极)的间距为d,面积均为A0，可绕同圆心转动，其夹角为θ。CCCdAdACAAdAC11100000000：板级间的的相对面积为时，时，ΔC与θ（角位移）成线性关系。定极板动极板平板电容式角位移传感器变面积型电容式传感器工作示意图3、变介质型电容式传感器模型：如下图，这种电容可以看成是CA、CB两个电容的并联。介质深入电容器的长度极板长度其中，::12xllxCCrrΔC与x成线性关系。4、电容式传感器的等效电路及特性一、电容式传感器的等效电路PRSRLC图3-9电容式传感器的等效电路RP—并联损耗电阻(板极间的漏电及介质损耗)RS—串联损耗电阻(引线电阻及高频驱肤效应)L—分布电感C—传感器电容在RP、RS忽略时，传感器的等效电容Ce由:eCCjLjCje11。时在，得CCCLCLCCee01122容抗感抗CCCLCCCCLCCCCLCCCCLCCLCLCCCLCLCCCCCLCCCCCeee11)](1[)())(1()(11)(11)(1)](1[222222222，eeCCCLCCC)(12CLCCCCCCee2111时：有关。、与还有关不仅与LCCCCee,二、电容式传感器的几个典型特点1.高阻抗直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/(jωC)由于C一般较小，当频率ω不太高时交流阻也很大。2.小功率视在功率PC=UI=U2ωC，由于C很小，则在频率ω不太高时PC也很小。3.存在静电吸引力由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。4.测量回路通常要用交流回路。三、边缘效应及修正+-带保护环的平行板电容器保护环+-d平行板电容器电力线边缘效应dhfdrrdrCr1620ln2rAh实际电容量：修正方法：使用保护环。第三节电容式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:普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。一、普通交流电桥图3-6所示为由电容C、C0和阻抗Z、Z’组成的交流电桥测量电路，其中C为电容传感器的电容，Z’为等效配接阻抗，C0和Z分别为固定电容和阻抗。ZZUi图3-6普通交流电桥测量电路CC0高频电源交流放大器相敏检波器低通滤波器上一节下一节电桥初始状态调至平衡，当传感器电容C变化时，电桥失去平衡而输出电压，此交流电压的幅值随C而变化。电桥的输出电压为(3-8)式中，Z为电容臂阻抗；△Z为传感器电容变化时对应的阻抗增量；Zi为电桥输出端放大器的输入阻抗。这种交流电桥测量电路要求提供幅度和频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗Zi很高。为了改善电路的动态响应特性，一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的5~10倍。iZZZZZZZUZZ)(2111U..0二、紧耦合电感臂电桥图3-7为用于电容传感器测量的紧耦合电感臂电桥。该电路的特点是两个电感臂相互为紧耦合，它的优点是抗干扰能力强，稳定性高。CCU0ULL图3-7紧耦合电感臂电桥UU/2U/2U0C1C2图3-8变压器电桥原理图电桥的输出表达式为：(3-9)式中；；；；ZL为电桥负载阻抗。三、变压器电桥电容式传感器所用的变压器电桥如图3-8所示。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为;以，代入上式可得.L1212121212.0UZK)-(1ZZ)1(ZK)-(1Z211ZK)(1Z1/ZK)-(1Z1UKZZZZCjZ12CjCZLjZ12LjMLjK)(121120ZZZ-Z2UU。。111CjZ221CjZ21210CCC-C2UU。。(3-10)式中，C1、C2为差动电容式传感器的电容量。设C1和C2为变间隙式电容传感器，则有：,，根据式(3-10)可得可以看出，在放器输入阻抗极大的情况下，输出电压与位移呈线性关系。ddCA1ddCA2dd2uu0+-C1C2R2R1V2V1RLu图3-9双T电桥电路uiu0图3-10运算放大器式测量电路C0Cx二、紧耦合电感臂电桥图3-7为用于电容传感器测量的紧耦合电感臂电桥。该电路的特点是两个电感臂相互为紧耦合，它的优点是抗干扰能力强，稳定性高。CCU0ULL图3-7紧耦合电感臂电桥UU/2U/2U0C1C2图3-8变压器电桥原理图电桥的输出表达式为：(3-9)式中；；；；ZL为电桥负载阻抗。三、变压器电桥电容式传感器所用的变压器电桥如图3-8所示。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为;以，代入上式可得.L1212121212.0UZK)-(1ZZ)1(ZK)-(1Z211ZK)(1Z1/ZK)-(1Z1UKZZZZCjZ12CjCZLjZ12LjMLjK)(121120ZZZ-Z2UU。。111CjZ221CjZ21210CCC-C2UU。。(3-10)式中，C1、C2为差动电容式传感器的电容量。设C1和C2为变间隙式电容传感器，则有：,，根据式(3-10)可得可以看出，在放器输入阻抗极大的情况下，输出电压与位移呈线性关系。ddCA1ddCA2dd2uu0+-C1C2R2R1V2V1RLu图3-9双T电桥电路uiu0图3-10运算放大器式测量电路C0Cx四、双T电桥电路这种测量电路如图3-9所示。图中C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容。RL为负载电阻，V1、V2为理想二极管，R1、R2为固定电阻。电路的工作原理如下：当电源电压U为正半周时，V1导通，V2截止，于是C1充电；当电源负半周时，V1截止，V2导通，这时电容C2充电，而电容C1则放电。电容C1的放电回路由图中可以看出，一路通过R1、RL，另一路通过R1、R2、V2，这时流过RL的电流为i1。到了下一个正半周，V1导通，V2截止，C1又被充电，而C2则要放电。放电回路一路通过RL、R2，另一路通过V1、R1、R2，这时流过RL的电流为i2。如果选择特性相同的二极管，用R1=R2，C1=C2，则流过RL的电流i1和i2的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内渡过负载电阻RL的平均电流为零，RL上无电压输出。若C1或C2变化时，在负载电阻RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。此时输出电压值为)C-Uf(CR)R(R)2RR(Ru21L2LL0(3-11)当R1=R2=R，RL为已知时，则这是一个常数，故式（3-11）又可写成(3-12)双T电桥电路具有以下特点：■信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共的接地点。■二极管V1和V2工作在伏安特性的线性段。■输出电压较高。■电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。■可以用作动态测量。KR)R(R)2RR(RL2LL)C-KUf(Cu210五、运算放大器式测量电路电路的原理图如图3-10所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。运算放大器的输入阻抗很高，因此可认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为以代入上式，则有(3-13)式中，u0为运算放大器输出电压；为信号源电压；Cx为传感器容量；C0为固定电容器。由式（3-13）可以看出，输出电压u0与动极片机械位移d成线性关系。x0i0CCuudACxdACuu0i0六、脉冲调制电路图3-11所示为差动脉冲宽度调制电路。这种电路根据差动电容式传感器电容C1和C2的大小控制直流电压的通断，所得方波与C1和C2有确定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触发器的两个输出端。双稳态触发器+-+-C1C2R2R1+-N1N2N3V1V2RSuru0PMNBQQA图3-11差动脉冲宽度调制电路当双稳态触发器的Q端输出高电平时，则通过R1对C1充电。直到M点的电位等于参考电压Ur时，比较器N1产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，Q端（A）为低电平，Q端（B）为高电平。这时二极管V1导通，C1放电至零，而同时Q端通过R2为C2充电。当N点电位等于参考电压Ur时，比较器N2产生一个脉冲，使双稳态触发器又翻转一次。这时Q端高平，C1处于充电状态，同时二极管V2导通，电容C2放电至零。以上过程周而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。图3-12为电路上各点的波形。由图3-12看出，当C1=C2时，两个电容充电时间党数相等，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。当差动电容传感器处于工作状态，即C1≠C2时，两个电容的充电时间常数发生变化，T1正比于C1，而T2正比于C2，这时输出电压的平均值不等于零。输出电压为12121121212110uTTT-TuTTT-uTTTu(3-14)当电阻R1=R2=R时，则有(3-15)可见，输出电压与电容变化成线性关系。121210uCCC-Cuu1uAu1uAu1t0t0uBu1uABt0-u1uCtuMT1uCtuNT2u1t0t0uBu1uABt0-u1uCtuMT1uCtuNT2图3-12电压波形图四、电容式传感器的应用特点1、位移传感器2、加速度传感器3、油箱油位计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。硅微加工加速度传感器原理1—加速度测试单元2—信号处理电路3—衬底4—底层多晶硅（下电极）5—多晶硅悬臂梁6—顶层多晶硅（上电极）利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC转换成直流输出电压。