第5章电容式传感器08

电容式传感器第5章电容式传感器5.1电容式传感器的工作原理和结构5.2电容式传感器的灵敏度及非线性5.3电容式传感器的等效电路5.4电容式传感器的测量电路5.5电容式传感器的应用电容式传感器5.1电容式传感器的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C——电容量——极板间介质的介电常数S——极板间相互复盖面积——真空的介电常数d——两极板间距离——介质的相对介电常数，空气=1若S单位cm2，d单位cm，则电容C的单位PF，那么Ard电容式传感器图5-1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)电容式传感器图5-2为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr和S为常数，初始极距为d0时，由式（5-1）可知其初始电容量C0为000dSCr5.1.1C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电容式传感器CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d电容式传感器CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d①上述表明，在条件下近似线性；②非线性误差微小位移的检测。③灵敏度：灵敏度越高,非线性误会增大电容式传感器但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图5-4所示gdgd00图5-4放置云母片的电容器电容式传感器在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。图5-9是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。图5-9差动平板式电容传感器结构图00d1d2C1C2S双板式差动电容器电容式传感器两块定板和中间一块动板组成差动结构初始：动板在中间位置当动板上移后双板式差动电容器00d1d2C1C2S电容式传感器①上述得到差动式电容器灵敏度是原来的2倍②非线性误差差动测量方式可以减小非线性误差（即系统误差）减小了一个数量级双板式差动电容器电容式传感器变面积型电容传感器原理结构示意图dbxaCCCr)(00C0=ε0εrba/d为初始电容。axCC0很明显，这种形式的传感器其电容量C与水平位移Δx呈线性关系。5.1.2bxadxS电容式传感器axCC0变面积型电容式传感器动极板定极板其大小均与初始值有关变化位移量不能太大，否则会产生非线性特性的边缘效应，因为边缘电场分布不均匀的原故。上述电容器，大多用来检测位移等参数电容式传感器较多的结构形式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。图5-8是一种常用的结构形式。图5-8变介质型电容式传感器L0Ld0r1r25.1.3变介质型电容传感器电容式传感器此电容器电容量相当于两个电容串联在、和（一般为空气介电常数）不变的情况下，变化时，则电容量发生变化，可用作介质介电常数测量仪。反之、、不变时，改变则用作测厚仪使用。L0Ld0r1r2电容式传感器液位传感器传感器电容量C与液位高度成线性关系，所以可以用作液位测量仪。电容式传感器5.3电容式传感器的等效电路图中考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Cp为寄生电容。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。电容式传感器很小等效电容电容式传感器的等效电路电容式传感器LCCCCjLjCjee2111在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定与有关，电源频率变化引起传感器电容量变化。与L有关，即引线长度变化也会引起传感器电容量的变化，以上在实际测量时应该引起注意电容传感器等效电容量电容式传感器寄生电容，分布电容的影响电容式传感器的等效电路寄生电容：电容极板与周围物体（元器件，人体等）之间产生的一个电容。分布电容：电容引线与大地之间的电容联系以上的附加电容改变了电容传感器的电容量而且其不稳定性导致传感器特性的不稳定，产生严重干扰。消除方法静电屏蔽措施，即将电容传感器极板放置在金属壳体之内，并将壳体与大地相连。引线采用屏蔽线且屏蔽线外层良好接电容式传感器输出阻抗1.电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般只有几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108～106Ω。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。2.容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作十分稳定。电容式传感器的等效电路电容式传感器边缘效应实际上当极板厚度h与极距δ之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器，其电容值应按下式计算：)(116ln20hfrrrCr边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低,而且产生非线性电容式传感器的等效电路电容式传感器消除边缘效应的影响：增大初始电容值(增大S减小d)，以降低边缘的影响成份可以采用带有保护环的结构，保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。电容式传感器的等效电路电容式传感器温度对传感器的影响温度变化（自身工作温度，环境温度变化）引起传感器1、结构尺寸的变化；2、引起电容介质介电常数的变化，从而引起传感器电容值的变化和波动。结构尺寸---电容器极板材料的膨胀系数从而改变它的截面S和间隙d，引起微小变化，介质介电常数电容式传感器的等效电路电容式传感器电容传感器特点Ⅰ.温度稳定性好电容值一般与电极材料无关，选择温度系数低的材料，本身发热极小，影响稳定性甚微。Ⅱ.结构简单制造易于保证精度，小巧以实现特殊的测量；高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。Ⅲ.动态响应好电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，特别适用于动态测量。Ⅳ.可以实现非接触测量，具有平均效应例如非接触测量回转轴的振动等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器的等效电路电容式传感器5.4电容式传感器的测量电路作用电容传感器产生的电容值一般只有几个皮法至几十个皮法，这样微小信号不便直接显示、记录及传输，测量电路的作用就是将电容传感器产生的电容变化量转换成正比关系的电压，电流或频率信号。形式a）调制型：交流不平衡电桥（简称交流电桥），二极管环形检波器b）脉冲型：差动脉冲宽度调制电路。c）运算放大器型：运算法测量电路。电容式传感器5.4电容式传感器的测量电路图中调频振荡器的振荡频率为LCf21鉴频器限幅放大器振荡器CxLCx电容变换器fufu调频测量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。用以判断被测非电量的大小，将频率的变化转换为电压振幅的变化5.4.1调频电路电容式传感器调频式测量电路原理特点：•抗干扰能力强；•特性稳定；•输出信号强鉴频器限幅放大器振荡器CxLCx电容变换器fufuLCCCfCCCCC021002121,0时，当ffLCCCCfCCCCCC002102121,0时，当遥测遥控的目的可以发送、接收，达到器测量输出信号易于用数字仪级位移的变化可以测量m01.0电容式传感器由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压;Σ是虚地点。..cbICiU∑iIcxICxoUA5.4.2运算放大器式电路电容式传感器cjucjuxo11uccuxoxxdScxodSucu及放大倍数足够大要求题，距式电容器的非线性问此电路解决了单个变间iZ电容式传感器图是二极管双T形交流电桥电路原理图。e是高频电源，它提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。VD2VD1eC1C2ABR2R1RL5.4.3二极管双T供电电压是幅值为±E、周期为T、占空比为50%的方波。电容式传感器电容C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图所示。其中二极管D1短路、D2开路，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，R1=R2=R电容式传感器在[R+(RRL)/(R+RL)]C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成下式同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为电容式传感器故在负载RL上产生的电压为运动可用于测量高速的机械输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。电容式传感器121EECqd122EECqx122EEfCIx123EEfCIdxdxdxCEfCCEfEEfCEEfCI1212正比的微安级电流电容成此电路输出一个与被测电容式传感器5.4.5脉冲宽度调制电路双稳态触发器VD1VD2R1R2AuABFGCx1Cx2BQQ##A1A2UrA高电平B低电平充电UF=Ur比较器产生脉冲触发器触发翻转电压迅速放电至零则在双稳态触发器A、B两端各自产生一宽度受、电容大小变化的，宽度不等的方波脉冲电容式传感器当Cx1=Cx2T1＝T2，平均电压UAB=0电容式传感器其中为电容的充电时间电平电压u1(t)参考电压212110TTTTUUUUBArxrxUUUCRTUUUCRT1122211111lnln电容式传感器结论：①测量电路输出具有线性输出特性。②输出不需再加整流电路，其直流信号可表示传感器的信号大小和方向。121210UCCCCUxxxx100112120UddUUddddU10UAAU电容式传感器5.4.6变压器电桥法21212CCCCUUo)/();/(002001ACAC如图所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。对变极距型电容传感器02UUo对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。电容式传感器5.5电容式传感器的应用1.电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量2.电容式传感器还可用来测量压力、压差、液位、料面、成分含量(如油、粮食中的含水量)、非金属材料的涂层、油膜等的厚度，测量电介质的湿度、密度、厚度等等，在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。电容式传感器5.5电容式传感器的应用5.5.1电容式力和压力传感器电容式传感器1-动极板；2-定极板；3-绝缘材料；4-弹性体；5-极板支架电容式传感器5.5.2电容式加