第6章 电容式传感器

黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:371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6.2电容式传感器的灵敏度及非线性6.3电容式传感器的等效电路6.4电容式传感器的测量电路6.5电容式传感器的应用黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3726.1电容式传感器的工作原理和结构•由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为SCd当被测参数变化使得S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。电容式传感器可分为:变极距型、变面积型和变介电常数型三种。黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:373电容式传感元件的各种结构形式12(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)电容式传感元件的各种结构形式：黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:374一、变极距型电容传感器Ard变极距型电容式传感器黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:375•当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，可知其初始电容量C0为0000dSdSCr•若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有000001rSCCCCdddd一、变极距型电容传感器黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:376电容量与极板间距离的关系CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d一、变极距型电容传感器黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:377①若Δd/d01时，则展成级数：2300000011ddddCCCdddd•此时，C与Δd近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时，才有近似的线性关系。②另外，在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以大些，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。00ddCC黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:378提高击穿电压？黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:379gdgd00放置云母片的电容器•一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~30pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10，一般为0.1μm级，故在微位移测量中应用最广。黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:371000ggSCdd式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。0002111111dSdSCCCgg放置云母片的电容器电容：黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:37113.2电容式传感器的灵敏度及非线性*变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。•变极距型电容传感器电容的相对变化量为：0001ddddCC当|Δd/d0|1时，按级数展开，可得30200001ddddddddCC0001ddCCCC黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3712电容式传感器的灵敏度:输出电容的变化量ΔC与输入位移Δd之间成非线性关系.当|Δd/d0|1时，可略去高次项，得到近似的线性关系：(变极距型平板电容传感器)00ddCC电容传感器的灵敏度为：00nCCSdd说明：灵敏度与d0呈反比关系，即d0越小，灵敏度越高。3.2电容式传感器的灵敏度及非线性黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:37131.如果考虑线性项与二次项，则0001ddddCC•可得出传感器的相对非线性误差为2000(/)100%100%|/|dddddd•可以看出：若要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。3.2电容式传感器的灵敏度及非线性黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3714差动平板式电容传感器结构图00d1d2C1C2S差动平板式电容传感器结构图黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3715•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。•在差动式平板电容器中，当动极板位移Δd时，电容器C1的间隙d1变为d0-Δd，电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则002001/11/11ddCCddCC3.2电容式传感器的灵敏度及非线性黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3716按级数展开得2310000232000011dddCCddddddCCddd电容值总的变化量为503000212ddddddCCCC黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3717电容值相对变化量为：40200012ddddddCC在|Δd/d0|1时，略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似成为如下的线性关系：002ddCC2.如果只考虑线性项和二次项，则电容式传感器的相对非线性误差近似为：230002|(/)|100%100%2|/|dddddd黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3718差动电容式传感器的好处！•灵敏度得到一倍的改善•线性度得到改善002CCdd001CCdd0100%dd20100%dd•减小静电引力带来的误差，并改善了温度等的影响。黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3719变面积型电容传感器原理图bxadxS变面积型电容传感器原理图二、变面积型电容式传感器黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3720二、变面积型电容式传感器（1）线位移型：被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。初始电容为：axCC0000dbaCr0000000)(dxbdabdbxaCCCrrr00)(dbxaCr线性关系！•当动极板相对于定极板平移Δx时，电容为：黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3721电容式角位移传感器原理图动极板定极板（2）电容式角位移传感器原理图黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3722（2）角位移型：当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，改变了两极板间电容量。当θ=0时，则0000dSCr当θ≠0时，则000001CCdSCr•可见，传感器的电容相对变化量与角位移θ呈线性关系。0CC电容式角位移传感器：黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3723电容式液位传感器结构原理图DdHh1三、变介质型电容式传感器(1)黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3724三、变介质型电容式传感器（1）测量液位高度设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h，变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，由其基本尺寸决定的初始电容值为：dDHCln20•可见，此变换器的电容相对变化量正比于被测液位高度h。dDnhCdDnhdDnHdDnhHdDnhC1)(21)(2121)(2121011HhCC)(101黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3725变介质型电容式传感器L0Ld0r1r2三、变介质型电容式传感器(2)黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3726（2）介质插入极板深度：两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的介质，以不同深度插入电容器中。设传感器初始电容：02010021)(dLLLbCCCrr02000)1(LLCCCCCr可见，电容的相对变化量与电介质εr2的移动量L成线性关系。000100dbLCr三、变介质型电容式传感器(2)11r12•传感器总电容量C为：黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3727表6-1电介质材料的相对介电常数黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:37283.3电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3729LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce:ceLjCjCj11CLCCce21两点注意：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，工作频率应该先择低于谐振频率。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。黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:37303.4电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路:1、调频电路；2、运算放大器式电路；3、电桥电路；4、脉冲宽度调制电路。黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3731调频电路黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3732黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3733黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3734黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3735LCf21一、调频电路•把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分.当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3736•式中：C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容，C2为传感器引线分布电容，Cx=C0±ΔC为传感器的电容。调频式测量电路原理框图鉴频器µÆ÷限幅放大器xCfuΔΔL振荡器fΔu3.4.1调频电路LCf21微分网络+包络检波黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3737当被测信号为0时，ΔC=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0,其表示式为LCCCf)(210210当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为ffLCCCCf0021)(213.4.1调频电路黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity04:3738•调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出易于用数字仪器测量，并与计算机通讯;抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。•简单收音机重要组成部分的调谐电路一