電容式傳感器課件

1、3.4 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測(cè)參數(shù)變換成電容量變化的測(cè)量裝置。 它的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)的參數(shù)之間的關(guān)系。 工作原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量。 實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于具有可變參數(shù)的電容器。應(yīng)用范圍: 位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測(cè)量。13.4 電容式傳感器3.4.1 電容式傳感器的工作原理3.4.2 電容式傳感器主要性能3.4.3 電容式傳感器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.4.4 電容式傳感器等效電路3.4.5 電容式傳感器測(cè)量電路3.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用23.4.1 電容式傳感器的工作原理1. 工作原理及類型2. 變極距型電容傳感器3. 變面積型電容傳感

2、器4. 變介電常數(shù)型電容式傳感器31. 工作原理及類型 S 極板相對(duì)覆蓋面積； 極板間距離； r相對(duì)介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)，； 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 S4 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、 d 或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。S5 分類示意圖 c) 變介電常數(shù)型a) 極距變化型;+b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.+6變極距(）型: (a)、(e) 變面積型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)

3、、(g) （h） 變介電常數(shù)( )型: （i）(l) 72. 變極距型電容傳感器非線性關(guān)系 若d/d103kv/mm)或塑料膜來，改善電容器耐壓性能 。差動(dòng)結(jié)構(gòu)也可提高靈敏度17式中：g云母的相對(duì)介電常數(shù)，g=7； 0空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 加入介質(zhì)后電容為：18 云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣僅為3 kV/mm。因此有了云母片，極板間起始距離可大大減小。 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20100pF之間，極板間距離在25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣

4、。 擊穿電壓:使電介質(zhì)擊穿的電壓。電介質(zhì)在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)作用下將失去其介電性能成為導(dǎo)體,稱為電介質(zhì)擊穿,所對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓。 19表1 電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù) 20平板式變面積型baab d kg減小d 、加云母片、增大b、采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)可提高靈敏度212. 非線性變極距型 將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)得 22可見，輸出電容的相對(duì)變化量C/C0與輸入位移d之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|d/d|1時(shí)可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系： 電容傳感器的靈敏度為： 說明：?jiǎn)挝惠斎胛灰扑鸬妮敵鲭娙菹鄬?duì)變化的大小（即靈敏度）與d呈反比關(guān)系。 d 取值不能大，否則將降低靈敏度。 23如果考慮式中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)， 則

5、 由此可得出傳感器的相對(duì)非線性誤差為 由以上兩式可以看出：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d，但非線性誤差卻隨著d 的減小而增大。 24動(dòng)極板定極板定極板C1 d1C2 d2差動(dòng)式變間隙型電容傳感器25動(dòng)極板上移時(shí)：初始位置時(shí)，26采用差動(dòng)形式，并取兩電容之差為輸出量 差動(dòng)式的非線性得到了很大的改善，靈敏度也提高了一倍 如果采用容抗 作為電容式傳感器輸出量被測(cè)量與d 成線性關(guān)系 無需滿足27略去高次項(xiàng)，則C/C0與d/d近似成為如下的線性關(guān)系： 如果只考慮式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 則電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差近似為： 28差動(dòng)的好處靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善293.4.3 傳感器的特點(diǎn)和設(shè)

6、計(jì)要點(diǎn) 1. 特 點(diǎn)2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)301、特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn):1. 溫度穩(wěn)定性好 （電容值與電極材料無關(guān)，本身發(fā)熱極小 ）2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng) ，能夠承受高壓力、高沖擊、過載等情況。313. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極??；可測(cè)極低的壓力和力，很小的速度、加速度?？梢宰龅煤莒`敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移。 可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕；其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。介質(zhì)損耗小，可以用較高頻率供電。系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。324. 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效

7、應(yīng)。當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。33缺 點(diǎn)：1、輸出阻抗高、負(fù)載能力差；傳感器的電容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百皮法，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá)106108。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來不便。 342、寄生電容影響大 傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電容、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度

8、；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。 352. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)減小環(huán)境溫度濕度等變化所產(chǎn)生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能； 消除和減小邊緣效應(yīng)； 消除和減小寄生電容的影響，防止和減少外界干擾； 盡可能采用差動(dòng)式電容傳感器。 低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)。36（1）減小溫度誤差、保證高的絕緣性能 選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝： 電極：溫度系數(shù)低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應(yīng)）； 電極支架：選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料，例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做

9、支架 電介質(zhì) ：空氣或云母 （介電常數(shù)溫度系數(shù)近為0）； 采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)、測(cè)量電路，這樣可以通過某些類型的測(cè)量電路(如電橋)來減小溫度等誤差。 37傳感器密封，用以防塵、防潮。 傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮。可在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)。38（2） 消除和減小邊緣效應(yīng) 理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻分布于兩極板所圍成的空間，這僅是簡(jiǎn)化電容量計(jì)算的一種假定。當(dāng)考慮電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，情況要復(fù)雜的多，邊緣效應(yīng)的影響相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)附加電容，引起了傳感器靈敏度下降和非線性

10、增加。39邊緣效應(yīng) 理想電容器的電場(chǎng)線是直線,而實(shí)際電容器只有中間有些區(qū)域勉強(qiáng)是直線,越往外電場(chǎng)線彎曲的越厲害。到電容邊緣時(shí)電場(chǎng)線彎曲最厲害,這種電場(chǎng)線彎曲現(xiàn)象就是邊緣效應(yīng)。(只針對(duì)平行板電容器) +-40邊緣效應(yīng)危害：靈敏度降低 產(chǎn)生非線性 適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長(zhǎng)與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測(cè)量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場(chǎng)的影響。41等位環(huán) 結(jié)構(gòu) 邊緣電場(chǎng)均勻電場(chǎng)3321帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1、2 電極 3等位環(huán) 等位環(huán)3與電極2同平面并將電極2包圍，彼此電絕緣但等電位，使電極1和2之間的電場(chǎng)基本均勻，而發(fā)

11、散的邊緣電場(chǎng)發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場(chǎng)。 42（3） 消除和減小寄生電容的影響， 防止和減少外界干擾。 寄生電容與傳感器電容并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào)影響儀器的精度，必須消除和減小。（a）屏蔽和接地 （b）增加初始電容值，降低容抗。（c）導(dǎo)線間分布電容有靜電感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。（d）盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。 43(4)差動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用 減小非線性誤差；提高傳感器靈敏度；減小寄生電容的影響；溫度、濕度等環(huán)境因素的影響；443.4.4 電容式傳感器等效電路L包括引線電纜電感和電容式傳感

12、器本身的電感；R2由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；C0為傳感器本身的電容；Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容R1是極間等效漏電阻；極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質(zhì)損耗R2C0CPR1L45低頻等效電路 傳感器電容的阻抗非常大，L和R2的影響可忽略等效電容Ce=C0+Cp，等效電阻ReR1， R1是極間等效漏電阻。CR146高頻等效電路 電容的阻抗變小，L和R2的影響不可忽略，漏電阻的影響可忽略 ，其中Ce=C0+Cp，而ReR2 , R2由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成；R2CL47由于電容傳感器電容量一般都很小，電源頻率即使采用幾

13、兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此 此時(shí)電容傳感器的等效靈敏度為 當(dāng)電容式傳感器的供電電源頻率較高時(shí)，傳感器的靈敏度由kg變?yōu)閗e，ke與傳感器的固有電感（包括電纜電感）有關(guān)，且隨變化而變化。 483.4.5 電容式傳感器測(cè)量電路 (1) 調(diào)頻電路(2) 運(yùn)算放大器電路(3) 雙T型電橋電路(4) 脈寬調(diào)制電路49（1）調(diào)頻電路測(cè)定頻率經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)成電壓幅值的變化，就可測(cè)得被測(cè)量的變化50當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0，當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，c0，此時(shí)頻率為 具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01m級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng) 51

14、（2）運(yùn)算放大器式電路 最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx-傳感器電容；C -固定電容；U0-輸出電壓信號(hào)。 運(yùn)算放大器式電路原理圖uC-ACxu052由運(yùn)算放大器工作原理可知 結(jié)論：從原理上保證變極距型電容式傳感器的線性。假設(shè)放大器開環(huán)放大倍數(shù)A=，輸入阻抗Zi=，因此仍然存在一定的非線性誤差，但一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小。 53（3）二極管雙T型電路 54(a)C2C1UERLR1R2i1i2+若將二極管理想化，則正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電容C1被以極短的時(shí)間充電至UE ，電容C2的電壓初始值為 UE ，電源經(jīng)R1以i1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL

15、放電，流過RL 的放電電流為i2，流過RL 的總電流iL為i1 和i2的代數(shù)和。 55(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通、D1截止，電容C2很快被充電至電壓UE；電源經(jīng)電阻R2以i1 向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL 放電，流過RL 的放電電流為i2。流過RL的總電流iL為i1 和i2的代數(shù)和。 56其中K是有電阻R1、R2和RL決定的常數(shù)，f為電源電壓頻率，UE為電源電壓幅值。 可見輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2 的函數(shù)。 在負(fù)載R

16、L上產(chǎn)生的電壓為：57電路的特點(diǎn) :線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器 。 58(4). 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化，通過低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào) 。59差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖QBQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器6061雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUR比較器循

17、環(huán)工作6263uAB經(jīng)低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為 式中UA、UBA點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量； T1、T2 分別為C1和C2的充電時(shí)間； U1觸發(fā)器輸出的高電位。64C1、C2的充電時(shí)間式中 Ur觸發(fā)器的參考電壓 設(shè)R1=R2=R，則得 結(jié)論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比 65設(shè)電容C1和C2的極間距離和面積分別為1、2和S1、S2 差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型 特性：差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器并具有理論上的線性特性 66優(yōu) 點(diǎn)：采用直流電源，其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等對(duì)元件無線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對(duì)

18、輸出矩形波的純度要求也不高 673.4.6 電容式傳感器的應(yīng)用 (1) 電容式差壓傳感器(2) 電容式加速度傳感器(3) 電容式振動(dòng)位移傳感器Capacitor68P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測(cè)微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對(duì)壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 69高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置電容式差壓變送器 70各種電容式差壓變送器外形 71法蘭72231B面A面546Cx1Cx21、5 固定極板 2殼體 3簧片 4 質(zhì)量塊 6 絕緣體 精度較高，頻率響

19、應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度 電容式加速度傳感器73硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.75.25V，可輸出與加速度成正比的電壓，也可輸出占空比正比于加速度的PWM 脈沖。74微加工三軸加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g ，量程：10g，頻率范圍：0.5-2000Hz，安裝諧振點(diǎn):8kHz ，分辨力：0.00004g ， 重量：200g ，安裝螺紋：M5 mm ，線性誤差：1% 75硅微加工加速度傳感器原理 1 加速度測(cè)試單元 2 信號(hào)處理電路 3 襯底 4 底層多晶硅（下電極）

20、5 多晶硅懸臂梁 6 頂層多晶硅（上電極）76 當(dāng)它感受到上下振動(dòng)時(shí)，C1、C2呈差動(dòng)變化。與加速度測(cè)試單元封裝在同一殼體中的信號(hào)處理電路將C 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓。它的激勵(lì)源也做在同一殼體內(nèi)，所以集成度很高。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質(zhì)量很輕，所以頻率響應(yīng)可達(dá)1kHz以上，允許加速度范圍可達(dá)10g以上。 如果在殼體內(nèi)的三個(gè)相互垂直方向安裝三個(gè)加速度傳感器，就可以測(cè)量三維方向的振動(dòng)或加速度。77a)測(cè)振幅b)測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測(cè)物振動(dòng)電容式傳感器被測(cè)軸電容式傳感器電容式位移傳感器應(yīng)用 78電荷平衡式位移傳感器 可變電壓VM與測(cè)頭的位置成比例 已在類似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工具中應(yīng)用

21、。79利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位 差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比： p = g h80電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位 投入式水位計(jì)81電容式液位計(jì) 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。 聚四氟乙烯外套82電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào)。83液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單： 用手指壓住設(shè)定按鈕，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時(shí)，當(dāng)水位高于該點(diǎn)后，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)。設(shè)定按鈕84智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕超限燈正常工作指示燈設(shè)定按鈕電源指示燈85加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨