传感器技术第4讲电容式传感器

传感器技术第4讲电容式传感器主讲教师:刘遥生联系电话:[phone]第4课电容式传感器方法：首先介绍电容式传感器的工作原理和测量电路，然后讨论在实际应用中存在的问题及解决的方法，最后通过四个实例介绍电容式传感器的应用。内容:一、工作原理及特性；二、测量电路；三、实际中存在的问题及解决方法；四、应用第4课电容式传感器第一节、工作原理及特性一、什么是电容式传感器？将被测参数变换成电容量的一种传感器。它的转换元件实际上就是一个具有可变参数的电容器。第一节、工作原理及特性二、原理用两块金属平板作电极，即可构成最简单的电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为：dSεC式中：S——两极板间相互覆盖的面积，m2；d——两极板间的距离，m；ε——两极板间介质的介电常数，F／m；第一节、工作原理及特性二、原理电容量为：dSεC由上式可知，电容器容量C的大小与S、d和ε有关，若保持这三个参数中的两个不变而改变另一个，则C就会发生变化。这实际上就是电容式传感器的基本原理。第一节、工作原理及特性三、类型根据发生变化的参数的不同，电容式传感器相应地分为以下三种类型。（一）变面积型（二）变间隙型（三）变介电常数型第一节、工作原理及特性三、类型（一）变面积型变面积型电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板；另一个是可移动的，称为动极板。根据动极板相对定极板的移动情况，变面积型电容传感器又分为角位移式和直线位移式两种。第一节、工作原理及特性三、类型（一）变面积型(二种）角位移式直线位移式第一节、工作原理及特性三、类型（一）变面积型1、角位移式工作原理当被测量的变化引起动极板有一角度位移θ时，两极间相互覆盖的面积改变了，从而也就改变了两极板间的电容量C。1dSCdSC0由上式可见,电容量C与角位移θ呈线关系第一节、工作原理及特性三、类型（一）变面积型2、直线位移式工作原理当被测量的变化引起动极板移动距离X时，则S发生变化，C也就改变了axCaxdbadxabC110特点：1、容量与角位移或直线位移呈线性关系；2、减小两极板的距离d或增大极板宽度b可提高传感器灵敏度。第一节、工作原理及特性三、类型（二）变间隙型变间隙型电容传感器有一个定极板和一个动极板，当动极板随被测量变化而移动时，两极板的间距d就发生了变化，从而也就改变了两极板间的电容量C。1、基本结构2、差动结构第一节、工作原理及特性三、类型（二）变间隙型1、基本结构初始电容量：00dSCddSCCC00当动极板随被测量的变化引起间距减小了△d时，电容量就变化为：△d第一节、工作原理及特性0001ddddCC三、类型（二）变间隙型1、基本结构000000111ddCdddSddSCC当△d＜＜d0时，上式可展开为级数形式4030200001ddddddddddCC第一节、工作原理及特性4030200001ddddddddddCC00ddCC三、类型（二）变间隙型1、基本结构显然，△C/C0与△d之间是非线性关系，只有当△d/d0《1时，忽略级数式的高次项，才能近似线性关系0CCo0dd0CCo0dd0CCo第一节、工作原理及特性三、类型（二）变间隙型差动结构的变间隙型电容传感器采用两块定极板，在二者之间分别放一块动极板。当动极向下移动时，两个电容器的间距分别为：2、差动结构dd0C1的间隙为：dd0C2的间隙为：第一节、工作原理及特性三、类型（三）变介电常数型变介电常数型电容传感器常用来检测容器中液面的高度和测厚度。原理：在介电常数为εx的被测液体中，放入两个同心圆筒状电极，液体上面气体的介质常数为ε，液体浸没电极的高度就是被测量x.1、电容式液面计第一节、工作原理及特性三、类型（三）变介电常数型2、电容式测厚仪xdAB第二节测量电路为什么要借助测量电路来检测电容器的电容变化量？由电容器的电容量计算公式得知：dSdSCr0改变其中的ε、S、d任一值都会引起容量改变。但受电容击穿电压和体积等限制，使电容器传感器的输出电容值非常小，通常只有几皮法至几十皮法，不便直接显示、记录，更难以传输。所以，需要测量电路来检测这一微小的电容量，并转换成正比的电压、电流或频率等信号。第二节测量电路一、类型1、调幅型2、脉宽调制型3、调频型第二节测量电路1、调幅型这种电路输出的是幅度值，并且正比于或近似正比于被测信号。该电路有两种：（1）交流电桥电路（2）运算放大器电路第二节测量电路1、调幅型（1）交流电桥电路----单臂接法ABCD第二节测量电路1、调幅型（1）交流电桥电路----差动接法-+-+第二节测量电路（1）交流电桥电路----差动接法CCCCCCCCCUUso)())((21213021、调幅型（1）交流电桥电路----单臂接法CCUUso0非线性关系线性关系第二节测量电路1、调幅型（1）交流电桥电路（2）运算放大器电路—基本电路传感器电容固定电容dSCUUso0第二节测量电路1、调幅型（1）交流电桥电路（2）运算放大器电路—可调零电路)1(2100dSCUUS第二节测量电路2、脉宽调制型该电路用于测量差动结构的电容器的输出电压12121UCCCCUoUAtUBt当C1=C2时,UA=UB所以U0=0第二节测量电路2、脉宽调制型该电路用于测量差动结构的电容器的输出电压12121UCCCCUo当C1≠C2时,UA≠UB所以U0=有输出UAtUBt第二节测量电路3、调频型该电路的基本原理是把电容式传感器接入高频振荡器回路中，当传咸器的输出电容量在被测量作用下发生变化时振荡频率亦相应地变化，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频型第二节测量电路CCCCCCCCCUUs)))((21213020CCUUS00dSCUUS00)1(2100dSCUUSIOUCCCCU2121种类和形式电路输出U0与被测电容△C之间的关系特性调幅型交流电桥电路单臂接法输出UO与△C之间是非线性关系差动接法输出UO与△C之间是线性关系运算放大器电路基本电路输出UO与△C之间是线性关系可调零电路输出UO与△C之间具有线性输出特性脉宽调制型输出UO与△C之间具有线性输出特性调频型抗外来干扰能力强，特性稳定，且能取得较高的直流输出信号。第三节实际中存在的问题及解决方法一、温度对结构尺寸的影响及解决方法二、电容电场的边缘效应三、寄生电容的影响第三节实际中存在的问题及解决方法一、温度对结构尺寸的影响及解决方法环境温度的改变将引起电容式传感器各部分零件几何尺寸和相互间几何位置的变化，从产生附加电容变化。而产生附加电容变化。尤其对于变间隙型电容传感其极板间距仅为几十微米至几百微米，温度引起的尺寸相对变化就可能相当大，从而造成很大的特性温误差动极板定极板绝缘材料第三节实际中存在的问题及解决方法一、温度对结构尺寸的影响及解决方法01102211dhhhLhLh由上式可见，在设计电容传感器时，应首先根据合理的初始电容量决定间隙d0，然后根据材料的线膨胀系数适当地选择h1和h2，以尽量满足上式的温度补偿条件。1、选用温度膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料。（陶瓷、铁镍合金）2、采用差动对称结构。3、在测量电路中加以补偿。第三节实际中存在的问题及解决方法二、电容电场的边缘效应理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板相互覆盖的空间，但实际上，在极板的边缘附近，电场分布是不均匀的，从而使电容的实际计算公式变得相当复杂。这种电场的边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，其结果使传感器的灵敏度下降和非线性增加。第三节实际中存在的问题及解决方法二、电容电场的边缘效应解决方法：1首先应增大电容器的初始电容量，即增大极板面积和减小极板间距。2加装等位环。如图所示，在极板A的同一平面内加一个同心环面G。A和G在电气上相互绝缘，二者之间的间隙越小越好。这就可使A、B间的电场接近理想的均匀分布了。加装等位环的电容器有三个端子A、B、G。第三节实际中存在的问题及解决方法三、寄生电容的影响我们知道，任何两个导体之间均可构成电容联系。电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体(包括仪器中的各种元件甚至人体)之间产生电容联系，这种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定，对传感器产生严重干扰。解决方法：1、静电屏蔽。（即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。）2、引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外3、采用驱动电缆技术，也称双层屏蔽等电位传输技术。将电极引出线进行内外双层屏蔽第四节应用举例一、差动电容式压力传感器（压力传感器）原理：该传感器工作时，差动压力分别作用在两隔离膜片上，通过硅油传递至感压膜片，使其产生挠曲变形，而引起差动电容变化。再经引出线接姜测量电路。为了测量小差压，感压膜片做的很薄(约0．05～0．25ram)。绝缘体电极板电极板感压膜片引出线油硅隔离膜片隔离膜片第四节应用举例一、差动电容式压力传感器（压力传感器）特点：1.别通用于管道中绝对压力很高但差压很小的场合2.精度高、耐振动、耐冲击、可靠好。3.但制造工艺要求很高，尤其是感压膜片的焊接是一工艺难题。绝缘体电极板电极板感压膜片引出线油硅隔离膜片隔离膜片第四节应用举例二、电容式测微仪电容式测微仪原理如图3—18所示。圆柱形探头外一般加等位环以减小边缘效应。探头与被测件表面间形成的电容为:特点：1、非接触2、精度高3、分辨率高（最小检测量为0.01微米）dSCx第四节应用举例三、电容式测厚系统dSCx第四节应用举例四、电容式测电缆偏心示意系统dSCxC1C2C1C2C1C2C1C2完