電容式傳感器解析

1、3.4 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和設計要點 3.4.4 電容式傳感器等效電路 3.4.5 電容式傳感器測量電路 3.4.6 電容式傳感器的應用 3.4.7 容柵式傳感器,3.3.1 電容式傳感器的工作原理,1. 工作原理及類型 2. 變面積型電容傳感器 3. 變介電常數型電容傳感器 4. 變極距型電容式傳感器,什么是電容器？,電容器有兩個用介質（固體、液體或氣體）或真空隔開的電導體構成。,電容,導體上的電荷,導體之間的電壓差,1. 工作原理,S 極板相對覆蓋面積； d 極板間距離； r相對介電常數； 0真

2、空介電常數（8.85pF/m）； 電容極板間介質的介電常數。,等位環(huán) 結構,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),2. 變面積型電容傳感器,當動極板相對于定極板沿著長度 方向平移時，其電容變化量化為,C與x間呈線性關系,電容式角位移傳感器,當=0時,當0時,傳感器電容量C與角位移間呈線性關系，但如果輸出是 ， 則是非線性關系。,3. 變介電常數型電容式傳感器,初始電容,電容式液位傳感器,電容與液位的關系為：,當L=0時，傳感器的初始電容,當被測電介質進入極板間L深度后，引起電容相對變化量為,電容變化量與電介質移動量L呈線性關系,4. 變極距型電容傳感器,非線性關系,若d/d1

3、03kv/mm)或塑料膜來 改善電容器耐壓性能,差動結構也可提高靈敏度,2. 非線性,變極距型,將上式展開成泰勒級數得,d 取值不能大，否則將降低靈敏度,采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量,差動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,被測量與d 成線性關系,無需滿足,3.4 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和設計要點 3.4.4 電容式傳感器等效電路 3.4.5 電容式傳感器測量電路 3.4.6 電容式傳感器的應用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.3 傳感器的特點

4、和設計要點,1. 特 點 2. 設計要點,1、特點,優(yōu)點: 1. 溫度穩(wěn)定性好 （電容值與電極材料無關本身發(fā)熱極小 ） 2. 結構簡單、適應性強 3. 動態(tài)響應好 4. 可以實現非接觸測量、具有平均效應,動態(tài)響應好,極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小 可測極低的壓力和力，很小的速度、加速度。可以做得很靈敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移 可動部分可以做得很小很薄，即質量很輕，減小了慣性 其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。 介質損耗小，可以用較高頻率供電 系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數，如測量振動、瞬時壓力等。,缺 點：

5、,1、輸出阻抗高、負載能力差 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，尤其當采用音頻范圍內的交流電源時，輸出阻抗高達106108。因此傳感器負載能力差，易受外界干擾影響 2、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、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構成的電容等“寄生電容”卻較大，這一方面降低了傳感器的靈敏度；另一方面這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度,2. 設計要點,減小環(huán)境溫度濕度等變化所產生的影響，保證絕緣材料的絕緣性能 消除和減小邊緣效應 消除和減小寄生電容的影響，防止和

6、減少外界干擾 盡可能采用差動式電容傳感器,低成本、高精度、高分辨率、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應,(1)減小溫度誤差、保證高的絕緣性能,選材、結構、加工工藝 電極：溫度系數低的鐵鎳合金、陶瓷或石英上 噴鍍金或銀（電極可做得薄，減小邊緣效應） 電極支架：選用溫度系數小和幾何尺寸長期穩(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支架 電介質 ：空氣或云母 （介電常數溫度系數近為0） 傳感器密封，用以防塵、防潮 采用差動結構、測量電路來減小溫度等誤差,(2). 消除和減小邊緣效應,危害：靈敏度降低、 產生非線性 適當減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比很大，

7、可減小邊緣效應的影響，但易產生擊穿并有可能限制測量范圍,(3) 消除和減小寄生電容的影響， 防止和減少外界干擾,（a）屏蔽和接地 （b）增加初始電容值，降低容抗。 （c）導線間分布電容有靜電感應，因此導線和導線要離得遠，線要盡可能短，最好成直角排列，若采用平行排列時可采用同軸屏蔽線。 （d）盡可能一點接地，避免多點接地,(5)差動技術的運用,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,3.4 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和設計要點 3.4.4 電容式傳感器等效電路 3.4

8、.5 電容式傳感器測量電路 3.4.6 電容式傳感器的應用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.4 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器本身的電感； r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、所接測量電路及極板與外界所形成的總寄生電容 Rg是極間等效漏電阻 極板間的漏電損耗和介質損耗、極板與外界間的漏電損耗和介質損耗,低頻等效電路,傳感器電容的阻抗非常大，L和r的影響可忽略 等效電容C=C0+Cp， 等效電阻ReRg,高頻等效電路,電容的阻抗變小，L和r的影響不可忽略，漏電的影響可忽略 ，其中C=C0+Cp，而rer,由于電容傳感器電容

9、量一般都很小，電源頻率即使采用幾兆赫， 容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此時電容傳感器的等效靈敏度為,當電容式傳感器的供電電源頻率較高時，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，且隨變化而變化。,3.4 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和設計要點 3.4.4 電容式傳感器等效電路 3.4.5 電容式傳感器測量電路 3.4.6 電容式傳感器的應用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.5 電容式傳感器測量電路,(1) 電橋電路 (2) 運算放大器電路 (3) 脈寬調制電路 (4)

10、調頻電路 (5) 雙T型電橋電路,(2). 運算放大器式電路,最大特點：能克服變極距型電容傳感器的非線性,Cx是傳感器電容 C是固定電容 u0是輸出電壓信號,運算放大器式電路原理圖,由運算放大器工作原理可知,結論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性 假設放大器開環(huán)放大倍數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。,(3). 差動脈沖調寬電路,利用對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應被測量變化的直流信號,差動脈沖調寬電路原理圖,uAB經低通濾波后，就可得到一直流電壓U0為,式中 UA

11、、UBA點和B點的矩形脈沖的直流分量； T1、T2 分別為C1和C2的充電時間； U1觸發(fā)器輸出的高電位。,C1、C2的充電時間,式中 Ur觸發(fā)器的參考電壓,設R1=R2=R，則得,結論：輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比,設電容C1和C2的極間距離和面積分別為d1、d2和S1、S2,差動變極距型 差動變面積型,特性：差動脈沖調寬電路能適用于任何 差動式電容式傳感器 并具有理論上的線性特性,(4) 調頻電路,當被測信號為零時，C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0，,當被測信號不為零時，c0，此時頻率為,具有較高的靈敏度，可測至0.01m級位移變化量 易于用數字儀器測量，并與計算機通訊，抗干

12、擾能力強,(5)二極管雙T型電路,電源為正半周 D1短路 D2開路， 電容C1被充電 影響不予考慮， 電容C2的電壓 初始值為UE,若二極管理想化，當電源為正半周時，電路等效成一階電路,供電電壓是幅值為UE、周期為T、占空比為50%的方波 可直接得到電容C2的電流iC2如下:,在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2時，電流iC2的平均值IC2可以寫成,故在負載RL上產生的電壓為,同理，可得負半周時電容C1的平均電流IC1為,電路的特點 :,線路簡單，可全部放在探頭內，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，克服

13、了電容式傳感器高內阻的缺點； 適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器 。,優(yōu)點：,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等 對元件無線性要求 經低通濾波器可輸出較大的直流電壓 對輸出矩形波的純度要求也不高,3.4 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和設計要點 3.4.4 電容式傳感器等效電路 3.4.5 電容式傳感器測量電路 3.4.6 電容式傳感器的應用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.6 電容式傳感器的應用,(1) 電容式差壓傳感器 (2) 電容式加速度傳感器

14、 (3)電容式振動位移傳感器 (4)電容式物位傳感器,電容式差壓傳感器,結構簡單、靈敏度高、響應速度快(約100ms) 能測微小壓差(00.75Pa)、真空或微小絕對壓力 需把膜片的一側密封并抽成高真空(10-5Pa)即可,1、5 固定極板 2殼體 3簧片 4 質量塊 6 絕緣體 精度較高，頻率響應范圍寬，量程大，可以測很高的加速度,電容式加速度傳感器,電容式位移傳感器應用,電荷平衡式位移傳感器,可變電壓VM與測頭的位置成比例 已在類似于孔徑測量儀等便攜式測量工具中應用。,電容式物位傳感器,3.4 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

15、電容式傳感器的特點和設計要點 3.4.4 電容式傳感器等效電路 3.4.5 電容式傳感器測量電路 3.4.6 電容式傳感器的應用 3.4.7 容柵式傳感器,3.4.7 容柵式傳感器,(1) 基本類型及工作原理 (2) 容柵傳感器電極的結構形式 (3) 信號處理方式 (4) 容柵式傳感器應用,(1) 基本類型及工作原理,長容柵 圓容柵,片狀 柱狀,長容柵,n動尺柵級片數 a , b柵極片長度和寬度,柱狀圓容柵,r2 , r1 圓盤柵極片外半徑和內半徑 a 每條柵極片對應的圓心角（rad）,(2) 容柵傳感器電極的結構形式,（a）直電極反射式 （b）直電極透射式 （c）反射式L型電極,(a)直電極反射式,結構形式簡單，使用方便， 移動過程中，導軌的誤差對測量精度影響較大,(b)直電極透射式,測量調整方便、安裝誤差和運行誤差的影響降低、制造安裝困難,(c)反射式L型電極,增大反射電極的面積，增加耦合的電容量， 提高傳感器的靈敏度，增強抗干擾能力和提高穩(wěn)定性,(3) 信號處理方式,鑒幅式測量電路 系統(tǒng)可達到0.001mm分辨力，主要在測長儀上使用， 鑒相式測量電路 系統(tǒng)分辨力為0.01mm，主要在電子數字顯示卡尺等數顯量具上使用。,（a）鑒幅式測量系統(tǒng),（b）鑒相式測量系統(tǒng),式中，Um發(fā)射電極激勵信號基波電壓幅值； 發(fā)射電極激勵信號基波電壓的頻率。,設,設,反映了傳感器輸出電壓