电容式传感器

电容式传感器1第5章电容式传感器工作原理、分类及应用主要特性参数典型测量电路电容式传感器的结构设计、温度影响及抗干扰措施电容式传感器2§5·1工作原理、分类及应用一、基本工作原理sC平板式电容：ε：介质介电常数s：极板面积δ：极板间距离εδs电容式传感器3fIUCS、、测量电路被测物理量,,),,(SfC一般：思考:主要优、缺点：电容传感器能测哪些物理量?优点：1）分辨率高；2）动态特性好；3）对被测构件影响小；4）体积小；易于实现非接触测试；5）检测头结构简单；环境适应性较强，可以在恶劣环境下（高温、辐射、振动）工作。缺点：1）量程小；2）输出阻抗高；3）易受分布电容影响。电容式传感器4二、分类1、变间隙电容传感器•两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下产生相对位移，引起电容值变化。•变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：0.01微米）。A、按工作原理分类电容式传感器52、变面积电容传感器常用的有角位移型和线位移型两种。与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。一般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱形。电容式传感器63、变介电常数电容传感器这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)。可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、密度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。电容式传感器7B、按结构分类dACr0rRlCrln20平板式单体式差动式圆柱、圆筒式单体式差动式电容式传感器8abLabLCrln0(ba)其他结构：Ldx1x2x3x4x存在屏蔽时同一平面上两电极之间的电容)](2cosh[)](2sinh[)](2cosh[)](2sinh[ln413242310xxdxxdxxdxxdLCr两根导线之间的电容电容式传感器9三、应用1-部分或整体绝缘的棍电极；3、4-拉紧或放松的绳电极：如果容器壁由导电材料制成，则只需装入电极1、3或4，容器壁作为另一电极与外壳相连（接地）。如果容器壁由非金属材料制成，需一个电极5配对，或用有内外电极的管式电极2。测量原理:电容器的上部为空气，下部为液体。液位变化时，电容器的电容变化值ΔC与被测材料的液位高度x成线性关系。1、液位测量测液位、测物位测微位移测压力、力、加速度等配对电极双电极电容式传感器10液位监控:不需要探头的电容值在整个高度范围内线性变化，而是希望液位在达到极限位置时开关量输出发生变化。l和2是棍电极或绳电极，3是侧面安装的棍电极，倾斜安装可提高测试灵敏度，4是平面电极，可用于一些不能在内部插入电容探头的容器内的液位测量，如搅拌器。电容式传感器112、电容式料位传感器电容式料位变送器探头与容器壁形成一个电容器。电容极板（探头与容器壁）的表面积、两极板之间的距离及被测物料的介电常数决定电容量的大小。当探头固定安装于容器端面后，被测物料的介电常数不变时，电容值仅取决于被测物料的高度，并与物位成正比。电容式传感器12分段电容式物位计可以确定物料到达的位置，属于非连续测量。电容式传感器133、非接触电容式位移传感器•非接触电容位移传感器可测量导体和绝缘体的位置和移动参数，称为接近觉传感器。•对于导体：主电极为发射电极，被测物体为接受电极，次电极为保护环（驱动电极），与主电极同电位；采用屏蔽环结构，可以避免边缘电场，改善传感器的特性。电容式传感器14对于绝缘体：调制参数为等效介电常数。主电极为发射电极，外侧的防护环为接受电极；次电极为保护环（驱动电极），与发射电极同电位；电力线必须跨过驱动电极才能到达接受电极，因而扩大了测量范围。使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进入传感器间隙中，都将影响测量结果。发射电极驱动电极接收电极电容式传感器15弯曲、波动变形移动、位移位置、膨胀振动、偏心位置、膨胀冲击、变形轴向窜动阀门位移活塞移动厚度、轮廓偏心（同轴度）压缩机叶片间隙、转速电容位移传感器的应用实例电容式传感器16电容式接近开关结构：测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体本身。与电容式位移传感器的不同之处：输出开关量。电容式传感器17原理：变等效介电常数特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等电容式非金属材料厚度测量电容式传感器18其他应用电容式传感器19其他应用电容式传感器20特点高分辨率：变间隙电容传感器在小量程范围内有很高的分辨率和灵敏度。输入能量小：变间隙型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置。电参量相对变化大：信噪比高，工作稳定。动态特性好：活动零件少、质量小、固有频率高。结构简单，环境适应性好：可以在振动、辐射环境下工作，采用冷却措施还可以在高温环境下工作。缺点：高输出阻抗和分布电容使其易受干扰。变间隙型量程小，线性差。电容式传感器21§5.2主要特性一、特性曲线、灵敏度、非线性1、变间隙式：εδs定极板动极板SSCr0电容：ε：极板间介质介电常数ε0：真空介电常数εr：极板间介质相对介电常数δ：极板间距离S：极板面积电容式传感器22CSCk2灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。电容C与极板间距δ呈非线性关系。初始极板间距过小容易引起电容器击穿或短路----解决方法：采用耐高压的材料作介质（如云母、塑料膜等）。适合于微位移的测量。灵敏度分析：进一步分析：电容式传感器23000ssCCC00011CC非线性分析：200001CC0001CC10若：略去2次方以上高次项：00000/1/Cs电容式传感器24△δ△C/C0△δm用端基法求线性度：bxkw端基直线方程：mSFCCCCk00..00＝其中：b0)1(1010000mmmm电容式传感器25拟合直线的斜率：)1(100mk理论拟合直线方程为：Kw0011m实际特性方程为：)1(w00'理论特性（端基直线）与实际特性之间的偏差为：)1(110000'mwwmm2020220)(△δ△C/C0½△δmym△δm0电容式传感器2620241mmy02)(2020my最大绝对误差处满足：%10041141%10000020.mmmmSFmfCCye最大相对误差为：最大绝对误差：绝对误差为：mwwy20'm21电容式传感器27非线性误差随着δ0的减小而增大。为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。一般情况下，△δmδ0，传感器的灵敏度近似为常数。在实际应用中,采用差动式结构,可以提高灵敏度、减小非线性误差。%100410mfe非线性误差：)1(1)(00..0mmSFCCk灵敏度：电容式传感器28差动电容结构001AC002AC初始状态：021dd产生位移后，有：C1C22000011CC2000021CC两式相减：02010///CCCCCC4020012电容式传感器2940200012CCo灵敏度提高一倍；o非线性误差减小。Conclusions:20012200001CC单体结构：电容式传感器302、变面积式xbabxabC0)(baδ△xxbC0xbCCC0bxCK灵敏系数：电容式传感器31o灵敏度为一常数，输出特性是线性的。ob↑、δ↓→k↑o适合于测量较大的直线位移和角位移。o由于极板尺寸的限制，以及要求对间隙变化不敏感，其灵敏度一般比变间隙式要小。o增大结构尺寸，极板间的平行度难以保证。bxCKConclusions:电容式传感器323、变介电常数式：电容式液位计ε1：液体介质的介电常数ε:空气的介电常数；dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21haa10线性电容式传感器33另一种变介电常数的电容式传感器：)11(0000rrrdsddsddSCd不变，ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度dε0εrs气隙δ电容式传感器34二、等效电路分析RC：串联损耗电阻----引线电阻、金属极板电阻等。Rp：并联电阻-----直流漏电阻、气隙介质损耗等。L：电容器及引线电感。高频情况下：o趋肤效应使RC↑；o引线电感L须考虑，L使得传感器的有效电容发生变化。RpRCLC电容式传感器35传感器的实际灵敏系数:传感器等效电抗：LCCjCjLCCjLj221111LCCCe212211LCCCCCCee2222111LCkLCCCke电容式传感器36电容传感器测量必须在与传感器标定同样环境条件下进行；改变电源频率、更换电缆，需要重新标定。2211LCKCkeConclusions:电容式传感器37三、容抗、功率例:一圆形平板电容器mmd40mm25.00mF/1085.8120分析:pFFC5.441045.4110设:HzfVU400,30则:MCXC1.111mWXUPC1.02视在功率：设:MHzf1KXC6.3mWP250频率的影响很大！电容式传感器38特点：高容抗、小功率电容值C一般较小：pF数量级容抗大：几十兆欧～几百兆欧视在功率小：mW级信号弱，一般情况需放大易受环境电磁场和寄生电容的干扰当工作频率很高时，容抗将减小，视在功率增大。电容式传感器39四、静电吸力原理：克服电场力所做的功与电场能量W的增加相等。对平板电容器的分析计算：ddWFdWdFddCuFCuW222121结论：静电吸力很小(mg量级)，可忽略。电容式传感器40§5·3测量电路C1C2R3R4UC1C2C3C4U从检测基本原理划分：振荡器式(oscillation)、谐振式(resonance)、充/放电式(charge/Discharge)、AC桥式(ACbridge)。从检测电路类型划分：调频电路、谐振电路、运算放大器电路、二极管双T型交流电路、脉宽调制电路、电桥电路等。一、交流电桥电容式传感器41交流电桥的平衡条件03241ZZZZ4321ZZZZ平衡条件为43213241..ZZZZZZZZUUSC设电桥臂阻抗为：12341111222233334444jjjjZrjXzeZrjXzeZrjXzeZr