自动检测技术_电容式传感器资料

第四章电容式传感器4.1电容式传感器的工作原理4.2电容式传感器主要性能4.3电容式传感器的特点和设计要点4.4电容式传感器等效电路4.5电容式传感器测量电路4.6电容式传感器的应用4.7容栅式传感器上一页下一页返回4.1电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型2.变极距型电容传感器3.变面积型电容传感器4.变介电常数型电容式传感器上一页返回下一页1.工作原理及类型dSdSCr0S——极板相对覆盖面积；δ——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数，；ε——电容极板间介质的介电常数。δSε上一页返回下一页变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)上一页返回下一页2.变极距型电容传感器dsCr0014.....)111(13020000000000ddddddCddCdAddACddCddsCCCr输出变化随输入变化呈非线性关系若△d/d1时，则ddCCKcddCC1灵敏度系数若极距缩小△d初始电容上一页返回下一页如果考虑式4-1的前两项，则非线性误差：%100%100)(0020dddddd2000001CddddCdddd＝1c△2c△1d△2d△dc图3-3电容量与极板距离之关系由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0|很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位移，故在微位移检测中应用最广。解决方法有两个：（1）差动，（2）加固定介质1、差动平板式电容传感器目的：提高灵敏度减小非线性误差...])()(1[/11302000001ddddddCddCC...])()(1[/11302000002ddddddCddCC...])(2)(22[50300021ddddddCCCC非线性误差：%100)(%100)/(2)/(220030dddddd灵敏度：02002])(1[2dddddCCK2、加固定介质dgd0图放置云母片的电容器000ddAcgg一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。加固定介质的变极距传感器的灵敏度和非线性并没有得到改善，仅使电容不能被击穿。为此可采用差动加固定介质的变极距传感器对于云母，5.8~6g3.变面积型电容传感器（1）线位移平行板电容器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为dbxaCCCr)(00△C与△x间呈线性关系上一页返回下一页（2）圆柱形位移传感器lCCllCrRlClrRlCc灵敏度：Ｋ电容变化量为：，移出工作时，动极板沿轴线ln2ln2（3）电容式角位移传感器0000dsCr0000)1(CCdCr当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系上一页返回下一页4、变电介质型电容式传感器7dDhCdDhdDHdDhHdDhcdDHCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln2ln2010010010为：总电容与液位高度关系初始电容：柱形电容的增量正比于被测液位高度，可测量一种流体的液位高度变介质型电容式传感器平板式8001200000021)()(21dLbCdLLLbcccrrrr电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。4.2电容式传感器主要性能1.静态灵敏度被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比2.非线性上一页返回下一页变极距型，其静态灵敏度为kCCg011(/)1/将上式展开成泰勒级数得kCg02341kg但δ过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm)在极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能差动结构也可提高灵敏度上一页返回下一页平板式变面积型b△aaabSC0aaCabbaaabC0baCaCkg0bδkg减小δ、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度上一页返回下一页2.非线性变极距型CCC0011/1/将上式展开成泰勒级数得CC02311/CC0(/)δ取值不能大，否则将降低灵敏度mmm9.0~01.0)51~101(上一页返回下一页采用差动形式，并取两电容之差为输出量CC21024差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍如果采用容抗作为电容式传感器输出量XCC1/()SCXc11被测量与δ成线性关系无需满足上一页返回下一页4.2电容传感器的等效电路LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce:ceLjCjCj11CLCCce21两点注意：工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（ω）相同。4.3电容式传感器的测量电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。变压器电桥调频电路运算放大器式电路二极管双T形交流电桥脉冲宽度调制电路1、变压器电桥当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为ddUUddACddACCCCCCCCCUUCjZCjZZZZZUU2,,,,,,,21,12021212121120221121120代入上式得则有器为变间隙式电容式传感设电容量为差动电容式传感器的式中代入得①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。2调频电路11LCf21特点：转换电路生成频率信号，可远距离传输不受干扰。具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。但非线性较差，可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后，进行补偿。3、运算放大器式电路12运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）ixoUCCUdACxdAUCUio特点：解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题要求Zi及放大倍数足够大为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难由运算放大器工作原理可知SuCuSCuCCuCjCjuxxx/)()/(1)/(100结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性特点：解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题要求Zi及放大倍数足够大为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容稳定由于Cx变化小，所以该电路实现起来困难上一页返回下一页4、二极管双T形交流电桥正负半周分析：正半周：C1充电，电流顺时针；C2放电，电流逆时针负半周：C2充电，电流逆时针；C1放电，电流顺时针若C1=C2，则电流抵消，若C1≠C2，则RL有信号输出LTLLoRdttItITRIU})]()([{1021)()()2(212CCfURRRRRRiLLL)(21CCMfUi几点说明：该电路电源频率Mhz级，电源电压几十伏，电源的稳定性对输出直接产生影响。当电容以PF级变化时，输出以V级变化。脉冲宽度调制电路C1充电，VF。当VFVref时，D=0Q=0，信号反转，Q=1。C1经D1放电。C2充电，VG。当VGVref时，D=0Q=0，Q=1，再次反转。C2经D2放电。设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0B双稳态触发器A1A2R1R2QQ-AFGDD-UrefD1D221211)(TTTTUuuuBAABrefUUUCRT11111lnrefUUUCRT11222lnC1C2uo1211212121UddddUCCCCuAB当d1=d0-Δd,d2=d0+Δd时，有10UdduAB4.4传感器的特点和设计要点1.特点2.设计要点上一页返回下一页1、特点优点:1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）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、具有平均效应上一页返回下一页动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001m甚至更小的位移可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。返回缺点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，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106～108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响2、寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度上一页返回下一页2.设计要点(1).减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能(2).消除和减小边缘效应(3).消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰(4)尽可能采用差动式电容传感器上一页返回下一页低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能选材、结构、加工工艺电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）电极支架：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为0）传感器密封，用以防尘、防潮采用差动结构、测量电路来减小温度等误差上一页返回下一页(2).消除和减小边缘效应危害：灵敏度降低产生非线性减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大易产生击穿并有可能限制测量范围上一页返回下一页等位环结构边缘电场均匀电场3321带有等位环的平板电容传感器原理1、2－电极3－等位环边缘效应引起的非线性与变极距型传感器原理上非线性