传感器课件第4章电容式

主要内容：4.1电容传感器工作原理和类型4.2电容传感器输出特性4.3电容传感器测量电路4.4电容式传感器的应用举例第4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电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度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。现在逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：•电容器容量小几十～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；•功率小，本身发热影响小；•可以进行非接触测量。4.1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，电容传感器工作原理可以用平板电容说明：0rssC0r改变式中S—极板面积，称变面积型传感器—极板距离，称变极距型传感器—介电常数，称变介质型传感器—真空介电常数—相对介电常数，无介质时空气介质εr=1变极距型传感器变面积型传感器变介质型传感器4.2输出特性1、变极距型（σ）0rssC00sC初始电容00CCC当减小时电容C增加CσεΔσC0σσCΔC当时，用泰勒级数展开01=2300000[1()()]CC0001CC电容相对变化000ssCCC忽略高次项001CC传感器灵敏度001CCK讨论：•要提高传感器灵敏度K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。00差动结构的电容特征方程式为：21000[1()]CC22000[1()]CCεσ２Ｃ１Ｃ２σ１上静片下静片动片设C1增加，C2减小，且△C1=△C2电容的总的变化量3120002[()]CCCC电容相对变化量2400002[1()()]CC电容特征方程忽略高次项为：002CC传感器（差动式）灵敏度0012CCK相对非线性误差为20()100%L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）。0/2变面积型（S）平板电容：当动极板移动ΔX后两极板间电容量为：000()baxbxCCxCCa0abC0CxCa初始电容:电容的相对变化量:平板变面积型电容传感器灵敏度CbKX结论：•变面积式电容传感器灵敏度K为常数；•输出特性为线性；•适合大位移测量。212ln(/)lCrr当两圆筒相对移动时，电容变化量为l212122()ln(/)ln(/)lllCrrrr212ln(/)lrr0lCl具有良好线性圆柱形电容器的电容量为：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：0rsCddr变介电常数式电容传感器分几种情况：•测介电常数（粮仓、木材湿度）•测介质厚度d(纸张、薄膜厚度）εdσ动片d为介质的厚度，d、S保持不变，改变，可作为介电常数的测试仪器。0r0[]()rrsCdd01(1)rCdC介电常数保持不变，S和σ一定，改变介质厚度d，可作为测厚仪器。根据各种介质的介电常数不同，检测液面高度同心圆柱状极板，插入液体深度h，两极板间构成电容式传感器（并联）12ccc122()lnlnhHhDDdddDhdDHln)(2ln21dDhcln)(210此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。测量被测介质的插入深度（1）无介质插入010000rLbc（2）有介质插入两段电容并联10212000()rrLLLcccb0000)1(2LLcccccr可见,电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。测液位高度（根据液体容器的形状计算）4.3测量电路1.电容传感器的等效电路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。电容传感器的等效电路包括:传输线的电感L0、电阻R（小）;极板等效漏电阻Rg；传感器电容C0；A、B两端分布电容Cp，Cp常比C0还大。低频时Zc大，L、R可忽略，高频时Zc小，L、R不可忽略，漏电阻Rg可忽略用金属屏蔽罩屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；前级紧靠转换元件或装在同一壳体内，避免信号长距离传输；驱动电缆技术，驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法。原理是：连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压，所以称（驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电从而消除寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。这一方法可在10M距离不影响传感器性能，保证电容1pF时也能正常工作。可提高电容传感器的稳定性。2.电桥电路由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容C0与之相匹配；差动形式传感器是两个桥臂交流电桥的输出电压为：12,CC120212ZZEUZZ111Zjc120212CCEUCC221Zjc代入：002EU输出电压与输入位移成理想线性关系10sC20sC极板在中间位置时动片上移时电容变化1200CCU120212CCEUCC交流电桥的多种形式3.二极管双T型电路VE是高频对称方波电源，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上的平值电压为：12122(2)()()()LRLLEELRRRURUfccMUfccRR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双T型电路工作原理分析•正半周D1导通D2截止C1充电至电压U，电源经Rl向负载电阻RL供电，与此同时，电容C2经R2和RL放电，流经RL的电流为这两电流之和；•负半周D1截止D2导通C2充电；If=I1+I2，If’=I1’+I2’C1=C2时，If=If’Li4．差动脉冲调宽电路电路原理图电路组成：A1、A2比较器；FF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Cx1、Cx2为传感器差动电容。电路分析：设接通电源时A高B低，R1对C1充电C点上升到Uf，比较器A1输出极性改变，触发器翻转；A低B高，D1道通C1放电；同时B点经C2充电使A2翻转。原理：利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号。波形图C1=C2，UC、UD放电时间相同，输出平均电压U0=0；C1≠C2，输出平均电压U0≠0，若C1＞C2，输出A、B两点的平均值等于UA、UB之差。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。输出为两端之差12120121212ABFFFTTTTUUUUUUTTTTTT低通输出12012FCCUUCC12012FSSUUSS12012FUU若R1=R2变面积型变极距型12120121212ABFFFTTTTUUUUUUTTTTTT输出电压结论：由此可见,差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性,且转换效率高,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。5．运算放大器式电路设K为理想运放;Cx传感器电容,Co固定电容;0xsC000SCIUIXjc0xCxxIUXIjc输入端输出端对于单极板平板电容器传感器运放输出可以为：000SCUUs&&0xII&&00SxCUUC输出电压U0与机械位移X（σ）成线性关系，解决了单电容的非线性关系。k6．调频电路谐振曲线调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。12fLC4.4主要性能、特点和设计要点一、主要性能1、静态灵敏度变极距型电容传感器0SSSCC由得01()1/gCCk由于/1将上式展成泰勒级数得23401...gCk圆柱型变面积电容传感器212122()ln(/)ln(/)lllCrrrr0lCl由得0212ln(/)gCCkllrr差动变面积电容传感器21212()2()ln(/)ln(/)gllllrrrrCkll214ln(/)rr结论：差动式比单组式的灵敏度提高一倍2、非线性变极距型0011/CCC因/12301...CC采用差动形式得：24021...CC结论：变面积和变介质型电容传感器比变极距型电容传感器的线性度好。求差动形平板电容器的非线性误差在差动式平板电容器中,当动极板位移Δd时,电容器C1的间隙d1变为d0-Δd,电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则10011ccdd00211ddcc在Δd/d0《1时,则按级数展开:...])()(1[3020001ddddddcc...])()(1[3020002ddddddcc电容值总的变化量为ΔC=C1-C2=C0...])(2)(22[50300dddddd电容值相对变化量为...])()(1[2402000ddddddcc%100)(%100)(2)(22003dddddd对于单组式变极距型平板电容传感器电容的相对变化量为00011ddddCC如果只考虑式中的线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差δ近似为当1/0dd时，则上式可按级数展开，故得...]1[3020000ddddddddcc如果考虑式中的线性项与二次项,由此可得出传感器的相对非线性误差δ为2000()100%100%()dddddd可见,电容传感器做成差动式之后,而且非线性误差大大降低了。二、主要特点及设计要点1、特点优点：（1）温度稳定性好电容值与电极材料无关，自身发热极小。（2）结构简单，适应性强能在较恶劣的环境下可靠工作。（3）动态响应好极板质量小且静态引力极小适合动态测量。（4）可实现非接触测量在测量物料料位、物体振动振幅等时，电容器极板与被测体表面构成电容器，实现非接触测量。缺点：（1）输出阻抗高，带负载能力差电容器电容值小，在频率较低时，容抗较大，带负载能力较差。（2）寄生电容影响较大在电容器与测量电路较远，需用电缆线连接时，导线与极板间的寄生电容较大。造成测量误差。2、