第4章 电容式传感器-2(西理工传感器原理及应用课件)

第三节主要性能、特点和设计要点一、主要性能（一）静态灵敏度1.变极距型（倒数关系）00SC当和则00000001C11SSC即30200000011C1CCCC30200000021C1CCCC静态灵敏度3020000g1CCk3020000g1CCk灵敏度：随而变，不是常数，减小，灵敏度增加。但要注意空气的击穿电压为3kV/mm，云母的击穿电压为103kV/mm。一般取25m～1mm之内，m～零点几mm。2.变面积型（线性关系）120gr/rln2lClCk3.变介电常数型（线性关系）后两种静态灵敏度为常数。llCr/rlnl2r/rln)ll(2r/rlnl2C0121212（二）非线性气隙型的非线性与电感式相同。为减小非线性取0。为了改善非线性，可采用差动式，灵敏度也提高一倍。如采用容抗XC=1/（C）为输出，则为线性关系，不一定满足0的要求。变面积和介电常数型线性较好，因边缘效应，有一定的非线性。二、特点（与电阻、电感式相比）1.温度稳定性好；2.结构简单，适应性强；3.动态响应好；4.可以实现非接触测量，并且具有平均效应；5.高灵敏度和分辨率。优点：1.输出阻抗高，负载能力差举一例：圆形平板电容d=40mm，0=0.25mm，U=30V，f=400Hz，起始电容C=44.5pF，容抗Xc=11.1106,Pc=U2C=10-4W，若=0.10，则C=4.45pF。几何尺寸不宜做大，一般为几十到几百皮法，甚至只有几个皮法，因此输出阻抗高，尤其当使用音频电源时，可达106~108，因而负载能力差，且易受外界干扰产生不稳定现象、采用高频供电，可降低输出阻抗，但高频放大、传输远比低频复杂。缺点：2.寄生电容影响大由于自身电容比较小，所以电缆电容（1~2m导线可达800pF)、线路的杂散电容以及传感器的内极板与周围导体构成的电容等影响很大。不仅减低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。3.输出特性非线性（由于边缘效应和变间隙式自身的非线性）三、设计要点1.减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。2.消除和减小边缘效应使灵敏度降低，产生非线性。a：适当减小极间距，使极径与间距比很大，但易产生击穿并有可能限制测量范围。b：可采用电极做得极薄，使与极间距相比很小的办法来减小边缘电场的影响。3.消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器的电容相并联，不仅影响灵敏度，还要影响精度（它的变化为虚假信号）。c：在结构上增设等位环来消除边缘效应。可采用下列方法：1）增加原始电容值（又叫寄生电容溺没法）。减小极板间距或极筒间的间距（平板式0.2~0.5mm，圆筒式间距0.15mm），增加工作面积或工作长度。一般电容值变化在10-3~103pF范围内，C/C在10-6~1范围内。2）注意传感器的接地和屏蔽3）集成化：将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。4）采用“驱动电缆技术”（也叫“双层屏蔽等位传输”技术）基本思路：连接电缆采用内外双层屏蔽，使引线与内屏蔽的导线电位相同，这样引线与内屏蔽之间的电缆电容将不起作用，外屏蔽仍接地而起屏蔽作用。在电容值很小时采用此法。原始电容值较大（几百皮法）采用一般的同轴屏蔽电缆。5）采用运算放大器法利用运算放大器的虚地来减小电缆电容Cc的影响。-A~(1+A)CCc-ACc/(1+A)C~-A~C仪器地大地与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cc/（1+A），实际上这是一种不完善的“驱动电缆”，结构较简单。6）整体屏蔽4.防止和减小外界干扰1）屏蔽和接地：用良导体做传感器的壳体，将传感元件包围起来，并可靠接地。2）增加原始电容值，降低容抗。3）导体与导线远离，尽量短，最好直角排列，平行时用同轴屏蔽线。4）尽量一点接地，避免多点接地。地线要用粗良导体或宽印刷线。5.尽量采用差动式可减小非线性误差，提高传感器的灵敏度，减小寄生电容的影响和减小干扰。第四节电容式传感器的应用一、电容式差压传感器：（差压、压力、流量、液位、传声器、听诊器）二、电容式加速度传感器三、电容式位移传感器（测力：平行框架结构）位移1位移2四、电容式液位（料位）传感器•非接触检测塑料管道内溶液液位。当液位达到设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它动作，达到液位控制的目的。物位测量五、电容式湿度（水份）传感器它是在绝缘衬底上制作一对平板金（Au）电极，然后在上面涂敷一层均匀的高分子感湿膜作电介质，在表层以镀膜的方法制作多孔浮置电极（Au膜电极），形成串联电容。六、电容式测厚仪•C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为C=C1+C2。•当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。•通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。七、电容式转速传感器当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z，频率为f，则转速为:第五节电容式集成传感器运用集成电路工艺把电容敏感元件与测量电路制作在一起而构成。(MEMS)一、基本类型及工作原理电容式微型真空传感器将此传感器埋入真空绝热板（内部真空，隔绝热传导，达到保温节能的效果，用于节能建筑与冷藏设备）中，检测真空度二、转换电路有开关转换电路和二极管环形检波电路。三、特点与应用第七节力平衡式电容传感器一、闭环反馈式传感器的原理与特点X敏感元件转换元件放大环节转换元件被测量输入前馈环节反馈量电量输出二、力平衡式加速度电容传感器x0mRIRUThanks！