电容式传感器课件_003

第三章 电容式传感器优点：测量范围大灵敏度高动态响应时间短机械损失小结构简单，适应性强缺点：寄生电容影响大具有非线性输出（变间隙式）2024/7/1113-1 电容式传感器的工作原理3-2 电容式传感器的测量电路3-3 电容式传感器的误差分析3-4 电容式传感器的应用2024/7/112权义萍由：3-1 电容式传感器的工作原理 两极板间介质的介电常数，为真空介电常数，介质的相对介电常数，对于空气介质而言 2024/7/113权义萍当被测参数d、S、r 发生变化时，相应的电容发生变化，如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数时，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。故电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质（变介电常数）型三种。2024/7/114权义萍一、变面积型原理图如图3-1所示。动极板移动时，两极板间的相对有效面积S发生变化，引起电容C发生变化。(a)线位移式 (b)角位移式图.3-1 变面积型电容传感器原理图2024/7/115权义萍当有效覆盖S0 S时，则：可见S与C的变化呈线性关系，故其灵敏度为常数：对图(a)线位移式传感器：则有：2024/7/116权义萍对图(b)角位移式传感器，有：则其灵敏度为：可见，（1）传感器的电容量与角位移呈线性关系；（2）增大传感器的初始面积或减小极板间距d有利于增大传感器的灵敏度K。2024/7/117权义萍图3-2为其结构原理图。图中两平行极板固定不动，极距为，相对介电常数r2为的电介质以不同深度插入电容器中。传感器的总电容相当于两个电容C1和C2的并联，即：二、变介质价电常数型图3-2 变介质型电容传感器 2024/7/118权义萍若电介质 r1=1，则：当被测介质r2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为：故电容量的变化与被测电介质的移动量L成线性关系。2024/7/119权义萍图3-3是变介质电容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1，液位高度为h，传感器变换器高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，此时变换器电容为：图3-3 电容式液位变换器结构图 2024/7/1110权义萍为空气介电常数；C0为由变换器的基本尺寸决定的初始电容值，即：由上式可知，此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。2024/7/1111权义萍三、变极距型图3-4为此传感器的原理图。设初始电容量为：图3-4 变极距型电容传感器原理图 若电容动极板因被测量变化而向上移动 时，则极板间距变为 ，电容量为：2024/7/1112权义萍极板移动前后电容的变化量为：上式表明 之间不是线性关系。C-d的关系为非线性，其特性曲线如图3-5所示。图3-5电容量与极距的特性曲线 但当 时，可以认为 的关系为线性的：则其灵敏度K为：2024/7/1113权义萍故变极距型电容传感器只在 很小时，才有近似线性输出。其灵敏度与初始极距的平方成反比，故可通过减小初始极距来提高灵敏度。初始极间距的减小可提高灵敏度，但过小会引起电容击穿或短路。故可在极板间采用高介电常数的材料，如云母、塑料膜等作为介质。如图所3-6所示。此时电容C变为：图3-6 放置介质的电容器结构 2024/7/1114权义萍由前面公式知：当时 ，上式按级数展开得：当 时，可略去高次项得近似的线性关系:如果考虑式中的线性项与二次项，则可得：2024/7/1115权义萍则传感器的相对非线性误差为：则其灵敏度为：为提高K，应减小d0，但其非线性误差随着d0的减小而增大，故可采用差动结构：如图3-7所示：以(a)图为例，当动片上移d，则：2024/7/1116权义萍图3-7 差动电容传感器原理图（a）变d型 （b）变S型则差动电容的输出为：2024/7/1117权义萍略去高次项得：其非线性误差为：可见，差动电容传感器不仅使灵敏度提高一倍，而且非线性误差减小一个数量级。2024/7/1118权义萍3-2 电容式传感器的测量电路若电容传感器工作在高温、高湿及高频激励条件下，则电容的附加损耗等影响不可忽视，其效电路如图3-8所示。图3-8 电容传感器的等效电路 2024/7/1119权义萍在实际应用中，特别在高频激励时，尤需考虑 的存在，则传感器的有效电容为：传感器电容低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗等影响；为高湿、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；为电容器及引线电感；为寄生电容。2024/7/1120权义萍 传感器的有效灵敏度为：可见：每次改变激励频率或更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定2024/7/1121权义萍二、测量电路二、测量电路（一）交流不平衡桥如图3-8所示：Z1为电容传感器阻抗，当Z1 Z4 Z2 Z3，则USC=0。当被测参数变化时引起传感器阻抗变化Z，其输出为：2024/7/1122权义萍2024/7/1123权义萍桥臂系数的模、相角与的关系曲线，如图3-9所示：2024/7/1124权义萍2024/7/1125权义萍（二）二极管环形检波电路如图3-10所示：图3-10 二极管环形检波电路 2024/7/1126权义萍 是高频电源，为特性完全相同的两个二极管,为传感器的两个差动电容，为负载电阻。其工作原理如下：线路接通后，在正半周时D1导通，D2截止，C1充电至U，在负半周D1截止,D2导通，C2充电至U，同时C1经R1以电流I1向负载RL供电；第二周期,C1充电,C2经R2向RL供电，由于C1=C2,R1=R2,通过RL的平均电流为零,其输出电压平均值也为零。当传感器电容变化时，C1C2这时负载上平均电流I10，其输出电压的平均值为：2024/7/1127权义萍f为电源频率，当RL已知时：为常数，则：其特点：(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D1、D2工作于高电平下，故非线性失真小；(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；(4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响，线路简单；(5)输出电压较高；(6)输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2 及RL有关；(7)输出信号的上升沿时间取决于负载电阻RL，可用于动态测量；(8)传感器的频率响应取决于振荡器的频率。2024/7/1128权义萍（三）差动脉冲宽度调制电路如图3-11所示：图3-11 差动脉冲调宽电路原理图 C1C2-传感器的两个差动电容；A1A2-两个电压比较器；Ur-参考直流电压 由分析可得出：电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1C2调制，当C1C2时，和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零，如图3-12（a)所示:2024/7/1129权义萍图3-12 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 2024/7/1130权义萍当时 ，各点的电压波形如图3-12(b)所示：经低通滤波后，就可得到一直流电压 ：T1、T2分别为C1、C2的充电时间；U1为触发器输出的高电位。当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，可有：对于差动变面积式电容传感器，可有：2024/7/1131权义萍由上分析可见：差动脉冲调宽电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真，输出信号只需要通过低通滤波器引出，直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。2024/7/1132权义萍（四）运算法测量电路如图3-13所示：图3-13 运算放大器式电路原理图 图中Cx是传感器的电容，是交流电源电压，是输出电压信号。由运算放大器的工作原理可有：2024/7/1133权义萍如果是变极距式的电容传感器，则有：“”号表示输出电压与电源电压反相。上式表明：运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系，从而克服了变间隙式电容传感器的非线性问题。运算放大器虽解决了单个变极距式电容传感器的非线性问题，但要求放大器具有足够大的放大倍数，而且输入阻抗很高。2024/7/1134权义萍一、一、温度影晌温度影晌1 1、温度对结构尺寸的影响温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极板间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极板间隙发生较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数，从而实现温度误差的补偿。3-3 电容式传感器的误差分析2024/7/1135权义萍（2 2）温度对介质的影响）温度对介质的影响温度对介电常数的影响随介质不同而变化，空气及云母的介电常数温度系数近似为零，而某些液体介质，如硅油、医麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数的温度系数可达0.07%/，若环境温度变化，则将带来7%的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。2024/7/1136权义萍二、边缘效应二、边缘效应当极板厚度与极距之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。危害：边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。消除措施：1.增大初始电容 2.加装等位环，如图3-14所示。图3-14 带有保护环的电容传感器原理结构 2024/7/1137权义萍三、寄生电容的影响三、寄生电容的影响产生原因：极板与周围物体及电缆本身均产生电容，与传感器电容相并联，严重影响传感器的输出特性。消除措施：1.1.整体屏蔽法整体屏蔽法整体屏蔽的关键在于正确选取接地点。整体屏蔽法是一种较好的方法，但将使总体结构复杂化。但仍存在问题：(1)当屏蔽线很长，其本身电容很大，且大于传感器电容量，导致传感器灵敏度下降；(2)电缆电容量因放置位置和形状的不同而不同，造成传感器特性不稳定。2024/7/1138权义萍优点：消除了芯线对内屏蔽层的容性漏电，克服了寄生电容的影响；驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。缺点：要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出与输入的相移为零。2.2.驱动电缆法驱动电缆法 是一种等电位屏蔽法，是解决电缆电容影响问题的有效办法。如图3-15所示。在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为1的驱动放大器。图3-15 驱动电缆法原理 2024/7/1139权义萍一、电容式差压变送器特点：1.密封液温度系数小、稳定性高 2.感压膜片采用张紧式结构 3.输出为标准电流信号 4.动态响应时间较短其结构如图3-16所示：3-4 电容式传感器的应用2024/7/1140权义萍图3-16 电容式差压变送器结构图（a）二室结构 （b）一室结构2024/7/1141权义萍二、电容式测微仪如图3-17所示：图3-17 电容式测微仪原理图2024/7/1142权义萍 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日