传感器原理及应用第5章 电容式传感器

传感器原理及应用第5章电容式传感器主要内容：5.1电容传感器工作原理和类型5.2电容传感器输出特性5.3电容传感器测量电路5.4电容式传感器的应用举例传感器原理及应用第5章电容式传感器概述传感器原理及应用第5章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概述传感器原理及应用第5章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概述传感器原理及应用第5章电容式传感器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。现在逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：•电容器容量小几十～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；•功率小，本身发热影响小；•可以进行非接触测量。5.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用第5章电容式传感器电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容传感器工作原理可以用平板电容说明：0rssC0r改变式中S—极板面积，称变面积型传感器—极板距离，称变极距型传感器—介电常数，称变介质型传感器—真空介电常数—相对介电常数，无介质时空气介质εr=15.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用第5章电容式传感器变极距型传感器5.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用第5章电容式传感器变面积型传感器5.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用第5章电容式传感器变介质型传感器5.2电容传感器输出特性1变极距型（σ）传感器原理及应用第5章电容式传感器0rssC00sC初始电容00CCC当减小时电容C增加CσεΔσC0σσCΔC传感器原理及应用第5章电容式传感器当时，用泰勒级数展开01=2300000[1()()]CC0001CC电容相对变化5.2电容传感器输出特性1变极距型（σ）000ssCCC忽略高次项001CC传感器灵敏度001CCK5.2电容传感器输出特性1变极距型（σ）传感器原理及应用第5章电容式传感器讨论：•要提高传感器灵敏度K应减小初始极距，但初始极距受电容击穿电压限制；•非线性随相对的位移的增加而增加,为保证线性度应限制相对位移；•起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；•为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。005.2电容传感器输出特性1变极距型（σ）传感器原理及应用第5章电容式传感器差动结构的电容特征方程式为：21000[1()]CC22000[1()]CCεσ２Ｃ１Ｃ２σ１上静片下静片动片设C1增加，C2减小，且△C1=△C2电容的总的变化量3120002[()]CCCC5.2电容传感器输出特性1变极距型（σ）传感器原理及应用第5章电容式传感器电容相对变化量2400002[1()()]CC电容特征方程忽略高次项为：002CC传感器（差动式）灵敏度0012CCK相对非线性误差为20()100%L结论：•差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍；•非线性误差减小（多乘因子）。0/5.2电容传感器输出特性2变面积型（S）传感器原理及应用第5章电容式传感器平板电容：当动极板移动ΔX后两极板间电容量为：000()baxbxCCxCCa0abC0CxCa初始电容:电容的相对变化量:平板变面积型电容传感器灵敏度CbKX结论：•变面积式电容传感器灵敏度K为常数；•输出特性为线性；•适合大位移测量。5.2电容传感器输出特性3变介电常数式（ε）传感器原理及应用第5章电容式传感器当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之间的关系为：0rsCddr变介电常数式电容传感器分几种情况：•测介电常数（粮仓、木材湿度）•测介质厚度d(纸张、薄膜厚度）εdσ动片5.2电容传感器输出特性3变介电常数式（ε）传感器原理及应用第5章电容式传感器d为介质的厚度，d、S保持不变，改变，可作为介电常数的测试仪器。0r0[]()rrsCdd01(1)rCdC介电常数保持不变，S和σ一定，改变介质厚度d，可作为测厚仪器。5.2电容传感器输出特性3变介电常数式（ε）传感器原理及应用第5章电容式传感器测液位高度（根据液体容器的形状计算）5.3测量电路1.电容传感器的等效电路传感器原理及应用第5章电容式传感器电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。电容传感器的等效电路包括:传输线的电感L0、电阻R（小）;极板等效漏电阻Rg；传感器电容C0；A、B两端分布电容Cp，Cp常比C0还大。低频时Xc大，L、R可忽略，高频时Xc小，L、R不可忽略，工作频率10MHz以上要考虑电缆电感L的影响，相当L、C串联，有一个谐振频率f0，当f=f0时串联谐振阻抗最小。5.3测量电路1.电容传感器的等效电路传感器原理及应用第5章电容式传感器用金属屏蔽罩屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；前级紧靠转换元件或装在同一壳体内，避免信号长距离传输；驱动电缆技术，驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法。原理是：连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压，所以称（驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电从而消除寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。这一方法可在10M距离不影响传感器性能，保证电容1pF时也能正常工作。可提高电容传感器的稳定性。5.3测量电路2.电桥电路传感器原理及应用第5章电容式传感器由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容C0与之相匹配；差动形式传感器是两个桥臂交流电桥的输出电压为：12,CC120212ZZEUZZ111Zjc120212CCEUCC221Zjc代入：5.3测量电路2.电桥电路传感器原理及应用第5章电容式传感器002EU输出电压与输入位移成理想线性关系10sC20sC极板在中间位置时动片上移时电容变化1200CCU120212CCEUCC5.3测量电路2.电桥电路传感器原理及应用第5章电容式传感器交流电桥的多种形式5.3测量电路3.二极管双T型电路传感器原理及应用第5章电容式传感器VE是高频对称方波电源，D1、D2特性相同二极管C1、C2传感器差动电容R固定电阻，RL负载。一个周期内RL上的平值电压为：12122(2)()()()LRLLEELRRRURUfccMUfccRR一个周期内负载RL上输出电压URL与电源电压VE幅值、频率f有关;与电容的差值(C1-C2)成正比5.3测量电路3.二极管双T型电路传感器原理及应用第5章电容式传感器双T型电路工作原理分析•正半周D1导通D2截止C1充电；•负半周D1截止D2导通C2充电；If=I1+I2，If’=I1’+I2’C1=C2时，If=If’5.3测量电路4．差动脉冲调宽电路传感器原理及应用第5章电容式传感器电路原理图电路组成：A1、A2比较器；FF双稳态触发器；VD1、VD2与电阻组成充放电回路；Uf参考直流电压;双稳态作输出;电容Cx1、Cx2为传感器差动电容。电路分析：设接通电源时A高B低，R1对C1充电C点上升到Uf，比较器A1输出极性改变，触发器翻转；A低B高，D1道通C1放电；同时B点经C2充电使A2翻转。传感器原理及应用第5章电容式传感器5.3测量电路4．差动脉冲调宽电路波形图C1=C2，UC、UD放电时间相同，输出平均电压U0=0；C1≠C2，输出平均电压U0≠0，若C1＞C2，输出A、B两点的平均值等于UA、UB之差。双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。输出为两端之差12120121212ABFFFTTTTUUUUUUTTTTTT低通输出传感器原理及应用第5章电容式传感器5.3测量电路4．差动脉冲调宽电路12012FCCUUCC12012FSSUUSS12012FUU若R1=R2变面积型变极距型12120121212ABFFFTTTTUUUUUUTTTTTT输出电压5.3测量电路5．运算放大器式电路传感器原理及应用第5章电容式传感器设K为理想运放;Cx传感器电容,Co固定电容;0xsC000SCIUIXjc0xCxxIUXIjc输入端输出端对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：000SCUUs&&0xII&&00SxCUUC输出电压U0与机械位移X（σ）成线性关系，解决了单电容的非线性关系。k5.3测量电路6．调频电路传感器原理及应用第5章电容式传感器谐振曲线调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。12fLC5.4电容式传感器的应用举例1.电容式料位计传感器原理及应用第5章电容式传感器用于水泥、化工、罐装等传感器静电容：0022()lnlnSXHChDDdd电容测深度、角度动画演示检测电极为电容的一个极，罐子的外壳为电容的另一个极。第一项是静电容C0：5.4电容式传感器的应用举例2．电容式压力传感器传感器原理及应用第5章电容式传感器结构：（金属弹性膜片）—动片；两个玻璃球面上镀有金属—定片；膜片左右两侧充满硅油。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•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5.4电容式传感器的应用举例2.电容式压力传感器传感器原理及应用第5章电容式传感器电容传感器盒膜片结构工业生产流程自动控制中膜片式压力计是常用的一种，电容膜片压力传感器分两种：计示压力计（表压）以大气为基准测管道、箱内、罐中压力；绝对压力计以绝对真空为基准测量蒸发罐、反应罐中的压力。传感器基准接大气低压阀高压阀选通阀管道传感器接真空低压阀高压阀管道反应罐压力传感器/变送器基础知识一、压力的基本概念1、压强（Pressure)与压力（Pressure，force)：2、压强与压力（Pressure)的单位：压强：帕斯卡（Pa），压力：牛顿（N）。3、区分客户所说压力与压强。4、单位换算：1bar=1.0105Pa=100kPa=14.7PSI=0.1MPa=760mmHg=10mH2O1PSI=6.89KPa,1公斤压力=0.98105Pa=1千克力/厘米21inchH2O=250Pa压力传感器/变送器基础知识二、压力类型1、绝压（Absolute,A),以真空为标准2、表压（Guage,G)，以当地大气压为标准。3、差压（Differential,D)，测试两端压力差值。4、密封表压（VentGuage,VG)，以标准的大气压为标准。压力传感器/变送器压力芯体、压力敏感元件1、表贴封装（测试气压）2、双列直插式封装（测试气压）3、TO-8封装（测试气压）压力传感器/变送器主要应用场合：航天航空军工场合，例如：风洞压力测试、涡轮机、叶轮机压力测试，钻井压力测试、高温、低温压力测试压力芯体、