电容式传感器教学课件PPT.ppt

第6章电容式传感器,概述,电容式传感器,各种电容式传感器,概述,电容式传感器,电容式传感器典型应用,概述,电容式传感器,电容式传感器的特点是： 小功率、高阻抗;本身发热影响小; 电容器小几十几百微法，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； 可进行非接触测量。 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。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。,6.1电容式传感器的工作原理和结构,电容式传感器将被测非电量的变化转换为电容量变化。 平板电容器的电容 根据被测参数的变化分： 变极距型电容传感器(d) 变面积型电容传感器(A) 变介质型电容传感器(),电容传感器声波测量动画演示,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(A)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),6.1.2变极距型电容传感器,6.1.2变极距型电容传感器基本特性,若d从d0d0-d, 电容量C0C0+C, 则有,当时,变极距式电容传感器有近似线性关系,此时灵敏度,1、,为了获得高灵敏度,一般d0(0.1-1mm)较小,但d0过小易引起电容器击穿或短路。 电容C与极距d成非线性关系,为了减小非线性误差,通常d变化范围 此类电容传感器仅适于微小位移的测量 (0.01um数百微米)。,6.1.2变极距型电容传感器基本特性,结论,怎么办呢？,一般变极距型电容式传感器的起始电容在 20100pF之间, 极板间距离在25200m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。,对于云母，,图6-3 放置云母片的电容器,云母片的相对介电常数为空气的7倍,击穿电压远远高于空气的,因此可使极板之间的起始距离大大减小。,6.1.2变极距型电容传感器双介电层,6.1.2变极距型电容传感器灵敏度/非线性,1.灵敏度（变极距型） 2.非线性,（忽略了线性及以上高次项）,泰勒展开,非线性误差：,目的： 1.提高灵敏度 2.减小非线性误差,非线性误差：,灵敏度：,6.1.2变极距型电容传感器差动平板式,6.1.3变面积型电容传感器,6.1.3变面积型电容传感器,图6-5 变面积型电容式传感器原理图,变面积型电容传感器的优点是: 输出与输入成线性关系,但与变极距型相比,灵敏度低,适用于较大角位移量及直线位移的测量。,6.1.4变介质型电容式传感器,1)圆筒形电容器的电容为：,其中x为覆盖的长度,变介电常数电容式传感器原理动画演示,6.1.4变介质型电容式传感器,柱式,7,电容的增量正比于被测液位高度,可测量一种流体的液位高度,6-7,6.1.4变介质型电容式传感器,平板式,8,电容变化与电介质的移动量L成线性关系 可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。,2)测量介质的厚度 （介质可移动）,小结,三种电容式传感器比较表,6.2电容式传感器的测量电路,电容传感器的特点：电容量小、变化更小（PF级）。理论上,交流电桥可作为电容传感器的测量电路,但由于电容及变化太小,不易实现。 常采用： 1.调频电路 2.运算放大器式电路 3.脉冲宽度调制电路 4、电桥电路,6.2.1调频电路,11,特点： 转换电路生成频率信号,可远距离传输不受干扰。 具有较高的灵敏度,可以测量高至0.01m级位移变化量。 但非线性较差,可通过鉴频器（频压转换）转化为电压信号后,进行补偿。,6-9,6.2.2运算放大器式电路,运算放大器要求：输入阻抗高（避免泄漏）、放大倍数大（接近理想放大器）,特点： 1.输出电压与极板距离d成正比 2.要求Zi及放大倍数足够大 3.为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容稳定 4.由于Cx变化小,所以该电路实现起来困难,图6-10 运算放大器式 电路原理图,6.2.3脉冲宽度调制电路,C1充电,VF 。当VF Uc时,Q=0,信号反转,Q=1。C1经D1放电。 C2充电,VG 。当VG Uc时,Q=0，Q=1,再次反转。C2经D2放电。,C1和C2为差动电容,6.2.3脉冲宽度调制电路,uA,uB,uAB,t,t,t,U1,U1,U0,0,0,0,T1,0,Uc,uF,t,T2,0,Uc,uG,t,输出电压uAB经低通滤波后,便可得到一直流输出电压Uo,值为A、B 两点电压平均值uA与uB之差，即,式中:T1、T2分别为C1、C2充至Uc需要的时间,即A点和B点的脉冲宽度;U1为触发器输出的高电位。,6.2.3脉冲宽度调制电路,设双稳态触发器输出高电平U1，低电平0,R1=R2,当d1=d0-d,d2=d0+d时,有,直流输出电压uAB与极距变化量成正比。,或,6.2.3脉冲宽度调制电路,对于差动式变极距型电容式传感器, 对于差动式变面积型电容式传感器,(6-29),(6-30),6.2.4电桥电路,交流电桥的多种形式,变压器电桥电路,缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波 后，才能辨别位移方向。,对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：,优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。,可得：,电容式传感器的优点： (1)输入能量小而灵敏度高。 (2)精度高达0.01%。 (3)动态特型好，适合测量动态参数。 (4)能量损耗小。 (5)结构简单，环境适应性好(高温、辐射等) 缺点：电缆分布电容影响大。 集成电路、双屏蔽传输电缆等降低分布电容影响。 广泛用于位移、压力、流量、液位等测量。,6.3电容式传感器的应用,电容式传感器的应用举例 1.电容式料位计,用于水泥、化工、罐装 等传感器静电容：,电容测深度、角度,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器外形图,电容式传感器的应用举例 电容式压力传感器,电容式传感器,电容传感器盒膜结构片,电容式传感器的应用举例 电容式压力传感器,结构： 测量膜片（金属弹性膜片） 动片； 两个玻璃球面上镀有金属 定片； 膜片两侧左右两定中充满硅油。 工作过程： 当两室分别承受低压（PL） 和高压（PH）时，硅油能将 压差 传递到 测量膜片，,电容式传感器的应用举例 电容式压力传感器,当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2； 当有差压作用时，测量膜片产生形变： PH PL时，膜片PL向弯曲，C1C2； 将这种电容变化通过电路转换为电压变化,各种电容式差压变送器外形图,6.3电容式传感器的应用（2）,加速度传感器,6-12,1,硅微加工加速度传感器原理,1加速度测试单元 2信号处理电路 3衬底 4底层多晶硅（下 电极） 5多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上 电极）,硅微加工电容加速度传感器,微加工三轴加速度传感器,技术指标： 灵敏度：500mV/g 量程：10g 频率范围：0.5-2000Hz 安装谐振点:8kHz 分辨力：0.00004g 重量：200g 安装螺纹：M5 mm 线性误差：1%,加速度传感器在汽车中的应用,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。,利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,6.3电容式传感器的应用（3）,差动式电容测厚传感器,6.3电容式传感器的应用（3）,差动式电容测厚传感器,19,6.3电容式传感器的应用（4）,图6-13 电容式传声器,6.3电容式传感器的应用（4）,电容式传声器,齿轮转动时,电容量发生周期性变化,通过测量电路转换为脉冲信号,则频率计显示的频率计显示代表转速。设齿数为z,频率为f,则转速为,6.3电容式传感器的应用（5）,1齿轮 2定级 3电容式传感器 4频率计,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面,使膜片产生位移。,6.3电容式传感器的应用（6）,6.3电容式传感器的应用（7）,电容式接近开关,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,三星SPHV6800手机采用电容传感器控制某些功能，取代了部分机械按键,6-1 说明电容式传感器的工作原理及其类型? 6-2 推导差动式变极距型电容式传感器的灵敏度和非线性误差，并与单一型传感器做比较。 6-3 说明脉冲宽度调制电路的工作原理及在差动电容相等和不相等时的各点电压波形。 6-4 变极距型平板电容式传感器，d0=1mm，要求测量线性度为0.1%，求允许测量的最大变化量。,思考题与习题,