13检测与转换技术自学课件 第三章 电容式传感器

学习要求：1、掌握变极距、变面积、变介质电容式传感器的工作原理，特点及应用。2、熟悉常用电容式传感器的常用检测电路及特点。3、学习应用电容式传感器。第三章电容式传感器2016-4-2212016-4-222电容式传感器2016-4-223电容式传感器电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或/和被测物）就是一个可变电容器。被测量的变化电容式传感器电容量的变化被测量：位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速、流量及成份分析等,精度可达0.01%，250mm量程可达5um。电容式传感器作为频响宽、应用广、非接触测量的一种传感器，是很有发展前途的。2016-4-2243.1电容式传感器的工作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dSC式中:ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；S——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。+++dS2016-4-2253.1电容式传感器的工作原理及类型当被测参数变化使得式中的S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。其中变极距型和变面积型应用较广。++++++2016-4-226图4-1电容式传感元件的各种结构形式图(b)、(c)、(d)、(f)、(g)和(h)为变面积型，图(a)和(e)为变极距型，图(i)～(l)则为变介电常数型。2016-4-2272016-4-228驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。2016-4-2293·2·1变极距电容式传感器当电容器板间极距d缩小Δd，电容器增大ΔC。可见ΔC与Δd并不是纯粹线性关系。当Δdd时，，灵敏度可见在d越小时灵敏度越高。在测量微小量变化时，可以近似认为dddCddddSdSddSC0)(ddCC02dSdCKsdC3.2电容式传感器的灵敏度及非线性2016-4-2210变极距电容式传感器•在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以很大，从而使传感器灵敏度提高。•d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可部分采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如下图，2016-4-2211000ddSCgg式中：εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。此时电容C变为：2016-4-2212电介质材料的相对介电常数2016-4-2213云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。同时，dg/ε0εg项是恒定值，它能使传感器的输出特性的线性度得到改善。一般变极距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。2016-4-2214实际应用中，常常采用差动型电容式传感器。作用：改善非线性，提高灵敏度，减少外界因素影响。22dSdCKs102012222=22SSdCCdddddSSdCCdddddCCCSddSddddddddddSdd差动型电容式传感器2016-4-2215dSdSdSSC)(满足线性关系。与可见：SCdSCKs灵敏度为：dbCKCdbCs3.2.2变面积型直线位移测量2016-4-22162、角位移量drCKrddSCs22222016-4-22173、圆柱型位移量)/ln(2dDhC)/ln(2)/ln(2)/ln(2dDhdDhdDhhC)/ln(2dDhCKs2016-4-22183.2.3变介质型电容式传感器0ACd2016-4-2219式中：ε0——空气介电常数；C0——变换器初始电容值,即0021HCDnd3.2.3变介质型电容式传感器•如图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h,变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时变换器电容值为DdHh11000100100022()22()2()11111hHhHhhCCDDDDDnnnnnddddd变介质型电容式传感器可见，此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。变介质型电容传感器有较多的结构形式，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。2016-4-2221变介质型电容式传感器•图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度进入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为LdbCdLbdLbdLLLbCCCrrrrrrr012000012000010002010021)()()(电容量的变化与电介质εr2的移动量L成线性关系。2016-4-2222电容式传感器应用2016-4-2223电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。3.3电容式传感器的特点及等效电路3.3.1特点：优点：1、温度稳定性好。2、结构简单，适应性强。3、动态响应性好。4、可以实现非接触测量。5、可以实现微压、微力、微小位移、加速度等的测量。缺点：1、输出阻抗高，负载能力差。2、寄生电容影响大。3、输出特性非线性。2016-4-22253.3.2等效电路R,L——传输线的电阻和电感C——传感器的电容；Cp——寄生电容；Rp——极间漏电阻（绝缘电阻）；A，B端等效电容Ce(忽略Rp,R的影响)：ppepeCCLCCCCCjLjCj21112016-4-2226若Cp很小，则对C求导：等效电容灵敏度：LCCCe21CLCCLCdCdCee222211,)1(1222211LCkdLCCdCksee等效电路2016-4-22273.4电容式传感器检测转换电路电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小,这样微小的电容量很难直接为目前的显示仪表所显示,也很难为记录仪所接受,不便于传输。必须借助于测量电路检出这一微小电容增量,并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。2016-4-22283.4.1调频测量电路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。将频率作为测量系统的输出量,可以用来判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正,因此加入鉴频器,将频率的变化转换为振幅的变化,经过放大处理后输入显示或记录等仪器。　2016-4-22293·4·1调频测量电路调频振荡器的振荡频率为：当被测信号为0时，ΔC为零。当被测信号不为0时，C产生变化ΔC，相应引起Δf的变化为LCf21CCLf23412016-4-22303·4·2调幅电路①交流电桥法CC421112233233220UCCCCUCCCUUUxxx321CCCCX00U2016-4-2231②谐振法检测电路输出特性曲线只能工作在上升段或下降段。？？2016-4-22323·4·3运算放大器式测量电路变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系，使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容Ci，Ui为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为输出电压与电容传感器的间隙成线性关系。/CiUoUiCxCxSdCiUoUidS2016-4-22333.4.4二极管双T形交流电桥•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。2016-4-2234二极管双T形交流电桥2016-4-2235当传感器没有输入时，C1=C2。其电路工作原理如下：当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，其等效电路如图（b）所示；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，其等效电路如图（c）所示；在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。根据上面所给的条件，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。2016-4-2236若传感器输入不为0，则C1≠C2,I1≠I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为120121[()()](2)()()ToLLLLLiLUIRItItdtRTRRRRUfCCRR式中,f为电源频率。2016-4-2237)()()2(2常数MRRRRRRLLL12()oiUUfMCC可见，输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。该电路输出电压较高，当电源频率为1.3MHz，电源电压U=46V时，电容在-7~7pF变化，可以在1MΩ负载上得到-5~5V的直流输出电压。电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。当U幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，约为1~100kΩ。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电阻上升时间为20μs左右，故可用来测量高速的机械运动。2016-4-22383·5电容式传感器的应用举例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。还可以用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、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。当测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单电极式变极距型电容传感器，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。2016-4-22393·5电容式传感器的应用举例2016-4-2240差分电容压力传感器图中所示膜片为动电极，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差动电容器。当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个