第5章电容式传感器

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第5章电容式传感器概述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5章电容式传感器概述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5章电容式传感器5.1电容传感器工作原理和类型电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容器C可以通过改变S—面积，称变面积型传感器—距离，称变极距型传感器—介质，称变介质型传感器0rssC第5章电容式传感器5.1电容传感器工作原理和类型变极距型传感器测微小的线位移(0.01微米~零点几毫米)第5章电容式传感器5.1电容传感器工作原理和类型变面积型传感器测位移或较大线位移第5章电容式传感器5.1电容传感器工作原理和类型传感器原理及应用变介质型传感器测固体或液体的物位或某介质的湿度、密度。第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）dSC000dSCr初始电容:当d减小△d时电容C增加△Cd=d0-△dC=C0+△CCC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d图5-2变极距型电容式传感器Ard图5-3电容量与极板间距离的关系第5章电容式传感器0011ddCC电容相对变化5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）当|Δd/d0|1时，上式可按泰勒级数展开，可得30200001ddddddddCC00ddCC第5章电容式传感器00nCCSdd5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）传感器灵敏度第5章电容式传感器图变极距型电容传感器的非线性特性5.2电容传感器输出特性1变极距型（d）非线性30200001ddddddddCC如果考虑式中的线性项及二次项，则:0001CddCdd非线性误差2000(/)100%/100%/dddddd讨论：•要提高传感器灵敏度应减小初始极距,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。第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性])(1[20001ddddCC差动结构的电容特征方程式为：εd２Ｃ1Ｃ２d１上静片下静片动片])()(1[3020002ddddddCC第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性])([2300021ddddCCCC电容的相对变化量电容特征方程忽略高次项得：电容的总的变化量])()(1[2402000ddddddCC002ddCC第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性0012/ddCCK传感器（差动式）灵敏度相对非线性误差为%100)(20ddL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）。0dd第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性2变面积型（S）dbxaCCCr)(00平板电容：当动极板移动Δx后两极板间电容量为：初始电容电容的相对变化量dabC0dxCC0第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性2变面积型（S）nCbSxd结论：•变面积式电容传感器灵敏度为常数；•输出特性为线性；•适合大位移测量。平板变面积型电容传感器灵敏度第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性3变介电常数式（ε）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：0rACdadr变介电常数式电容传感器分几种情况：•测介电常数；•测厚度dεrda动片第5章电容式传感器5.2电容传感器输出特性3变介电常数式（ε）d为运动介质的厚度，d保持不变，改变可作为介电常数的测试仪器。0r0[]()rrACdAd01(1)rCdCa介电常数保持不变，d改变，可作为测厚仪器。第5章电容式传感器5.3测量电路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。电容传感器的测量电路包括:运算放大器式电路电桥电路调频电路谐振电路二极管T型网络脉冲宽度调制电路第5章电容式传感器5.3测量电路1．运算放大器式电路:d(c)→U克服变极距传感器的非线性使其输出电压与输入位移成线性Cx:传感器电容,Co:固定电容0xACd设K为理想运放第5章电容式传感器5.3测量电路1．运算放大器式电路对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：000SCUUdA运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。第5章电容式传感器2.电桥电路(C→R)002EdUd输出与位移成理想线性关系120212ZZEUZZ120212CCEUCC111Zjc•交流电桥的输出电压为：C1、C2为传感器的两个差动电容第5章电容式传感器3.二极管双T型电路(C→f)VE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上的平均值电压：122(2)()()LRLLELRRRURUfccRR第5章电容式传感器3.二极管双T型电路(C→f)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；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)成正比第5章电容式传感器4．差动脉冲调宽电路(C→U)波形图电路原理图第5章电容式传感器4．差动脉冲调宽电路电路分析：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。12120111121212ABTTTTUUUUUUTTTTTT电路组成：A1、A2比较器；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C1、C2为传感器差动电容。第5章电容式传感器5．调频电路(C→I)谐振曲线第5章电容式传感器5.4电容式传感器的应用举例可以测直线位移、角位移、介质尺寸（物位）、振动1.电容式料位计用于水泥、化工、罐装等传感器静电容：0022()lnlnSXhChDDdd第5章电容式传感器5.4电容式传感器的应用举例2．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5章电容式传感器5.4电容式传感器的应用举例2．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5章电容式传感器5.4电容式传感器的应用举例3．电容测厚仪电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。第5章电容式传感器5.4电容式传感器的应用举例4．电容测位移