第四章电容传感器剖析课件

3.3 电容式传感器3.3.1 电容式传感器的工作原理3.3.2 电容式传感器主要性能3.3.3 电容式传感器的特点和设计要点3.3.4 电容式传感器等效电路3.3.5 电容式传感器测量电路3.3.6 电容式传感器的应用3.3.7 容栅式传感器上一页下一页返 回3.3.1 电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型2.变极距型电容传感器3.变面积型电容传感器4.变介电常数型电容式传感器上一页返 回下一页1.工作原理及类型工作原理及类型 S 极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数，；电容极板间介质的介电常数。S上一页返 回下一页变极距变极距(）型型:(a)、(e)变面积型变面积型(S)(S)型型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数变介电常数()型型:（i）(l)上一页返 回下一页2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器非线性关系 若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度上一页返 回下一页平板式变面积型平板式变面积型平板式变面积型平板式变面积型baab kg减小、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度上一页返 回下一页2.非线性变极距型变极距型变极距型变极距型 将上式展开成泰勒级数得 取值不能大，否则将降低灵敏度 上一页返 回下一页采用差动形式差动形式，并取两电容之差为输出量 差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 如果采用容抗 作为电容式传感器输出量被测量与 成线性关系 无需满足上一页返 回下一页3.3.3 传感器的特点和设计要点 1.特 点2.设计要点上一页返 回下一页1、特点、特点 优点:1.温度稳定性好温度稳定性好 （电容值与电极材料无关；本身发热极小）2.结构简单、适应性强 3.动态响应好动态响应好 4.可以实现非接触测量、具有平均效应上一页返 回下一页缺 点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响。2、寄生电容影响大 传感器的初始电容量小，而引线电缆电容、电路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等寄生电容却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。上一页返 回下一页2.设计要点设计要点 (1).减小环境温度、湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能 (2).消除和减小边缘效应 (3).消除和减小寄生电容的影响，防止 和减少外界干扰 (4).尽可能采用差动式电容传感器 上一页返 回下一页目标：低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应目标：低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应目标：低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应目标：低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：2r12r2H3.3.4 电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗上一页返 回下一页rC0CPRgL低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容C=C0+Cp，等效电阻ReRg 上一页返 回下一页CRgAB高频等效电路 电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中C=C0+Cp，而rer 上一页返 回下一页reCLAB由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此 此时电容传感器的等效灵敏度为 当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。因此，要求电缆长度不变上一页返 回下一页3.3.5 电容式传感器测量电路(1)调频电路(2)运算放大器电路(3)双T型电桥电路(4)脉宽调制电路上一页返 回下一页(1)调频电路调频电路上一页返 回下一页当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，当被测信号不为零时，c0，此时频率为 具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 上一页下一页返 回(2).运算放大器式电路运算放大器式电路 最大特点最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 上一页下一页运算放大器式电路原理图uC-ACxu0返 回运算放大器式电路式电路 对平板电容器：输出电压与输入位移间存在线性关系 由运算放大器工作原理可知 结论结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性线性假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。上一页下一页返 回电桥电路电桥电路 将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂(另一臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可以是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合，电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性。电桥电路电桥电路(3)二极管双二极管双T型电路型电路 上一页下一页U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE 返 回 这种双T形充放电网络是脉冲式测量电路的一种形式，其基本原理是利用电容的充放电。为便于分析，等效为图b)二极管双二极管双T型交流电桥型交流电桥图b图a电路的工作原理当电源处于正半周时当电源处于正半周时VDl导通，VD2，截止，电容Cl经VD1迅速充电至电压U，其等效电路如图C，电源经Rl向负载电阻RL供电，与此同时，电容C2经R2和RL放电，流经RL的电流 为这两电流之和。图C当电源为负半周时当电源为负半周时VDl截止，VD2导通，电路等效如图d此时C2很快被充电至电压U，流经负载电阻的电流 也为这时两电流之和。当C1C2(或C2C1)时则通过RL上的平均电流不为0，产生输出电压。图d对上式微分后，并设RlR2=R，解联立方程式可得同理，对正半周可得式中输出电流对时间的平均值适当选择线路元件参数及电源频率f，使kl5，k25，忽略指数项得于是输出电压的平均值 当电源频率f常数时，输出电压平均值与差动电容C1与C2的差值成正比例。二极管双T型交流电桥当传感器没有输入时，当传感器没有输入时，C1C2一个周期内流过负载的平均电流为0当传感器有输入时，C1！C2电路的特点电路的特点:线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。上一页下一页返 回(4).脉宽调制电路脉宽调制电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 上一页下一页返 回差动电容传感器、双稳态触发器、比较器及低通滤波器有机配合，实现 上一页下一页差动脉冲调宽电路原理图差动脉冲调宽电路原理图返 回双稳态触发器滤波器ARBD2D1RU1C1GFC2ICUrICSdRd 差动脉冲调宽式测量电路1、工作原理（1）正半周 设上电后RS触发器Rd=Sd=0。Q=1 =0 差动电容传感器上电压UF=UG=0。Q点输出电压U1通过R1对C1充电。UF渐增。（C2如有电荷，通过二极管VD2快速放掉）当UFUr时，比较器IC1翻转，Rd=1，双稳态触发器复位。（2）负半周 Rd=1 Sd=0 ，Q=0 =1 C1通过VD1快速放电，输出电压U1通过R2对C2充电。UG渐增。当UGUr时，比较器IC2翻转，Sd=1，Rd=0，双稳态触发器置位。Q=1 =0。在A、B两点输出方波电压uAB。经低通滤波器得到其平均值U0。从以上的分析可知：比较器的输出控制双稳态触发器的状态。双稳态触发器的输出提供差动电容器的电压。电容端的电压控制比较器的翻转。2、各点电压的波形 设C1C2 C1充电速度慢于C2充电速度，UA持续时间长于UB的持续时间。输出电压的推导式中:U1触发器输出高电平;T1、T2C1、C2充放电至Ur所需时间。（1）C1充电时，由零状态响应将T1、T2代入式（1）,并设 得变间隙传感器把平行板电容的公式代入式得当差动电容C1=C2=C0,即 时,=0;若C1 C2,设C1 C2,则对变面积电容传感器当差动电容C1=C2=C0时：结论：由此可见,差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性,且转换效率高,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。上一页下一页返 回uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为 式中UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2 分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。上一页下一页返 回C1、C2的充电时间式中 Ur触发器的参考电压 设R1=R2=R，则得 结论结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 上一页下一页返 回设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2和S1、S2 差动变极距型差动变面积型 特性：特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何 差动式电容式传感器 并具有理论上的线性特性 上一页下一页返 回优优 点：点：采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也不高 上一页下一页返 回例：现有一电容式位移传感器，如图A所示。其中园柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，CBC构成一个固定电容CF，CAC是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容CX。采用图B电路检测，信号源电压为USR。问：在要求运放输出电压USC随输入位移x成正比时，标出CF和CX在图B中所连的位置，为什么？解：如图B所示，因为电容是CX可变面积的电容传感器。CXCF3.3.6 电容式传感器的应用(1)电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器上一页返 回下一页P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电容式差压传感器 结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 上一页返 回下一页电容式差压传感器电容式差压传感器一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器压力差使膜片变形产生位移时，两个电容器电容量发生变化。将差动电容器接于桥式电路231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 电容式加速度传感器上一页返 回下一页2、原理、原理 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时,质量块在惯性空间中相对静止,而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，此电容增量正比于被测加速度。a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器电容式位移传感器应用 上一页返 回下一页差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器1、结构、结构传感器上下两个极板与金属板上下表面间构成电容传感器。2、原理、原理 将被测电容C1、C2作为各变换振荡器的回路电容,振荡器的其它参数为固定值,C0为耦合和寄生电容,振荡频率分别为调频式差动电容式测厚传感器原理图f1,f2送计数器8253的计数口，单片机定时1秒取8253计数器中的计数值。即为f1,f2。由公式计算得dx1，dx2。3.3.7 容栅式传感器(1)基本类型及工作原理(2)容栅传感器电极的结构形式(3)信号处理方式(4)容栅式传感器应用上一页返 回下一页(1)基本类型及工作原理基本类型及工作原理 l长长容栅容栅l圆容栅圆容栅片片状状柱状柱状上一页下一页返 回长容栅长容栅上一页下一页返 回n动栅尺级片数 a,b栅极片长度和宽度为动栅尺和定栅尺的间距 为它们之间介质的介电常数 W为反射电极的极距上一页下一页返 回CCmaxC0W2W位移x24角度片状圆容栅片状圆容栅r2,r1 圆盘栅极片外半径和内半径 每条栅极片对应的圆心角（rad）,n为扇面总数上一页下一页返 回柱状圆容栅柱状圆容栅上一页下一页返 回1 定子2 转子(2)容栅传感器电极的结构形式容栅传感器电极的结构形式（a）直电极反射式（b）直电极透射式（c）反射式L型电极上一页返 回下一页(a)直电极反射式直电极反射式上一页下一页返 回结构形式简单，使用方便，移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大(b)直电极透射式直电极透射式上一页下一页返 回测量调整方便、安装误差和运行误差的影响降低、制造安装困难(c)反射式反射式L型电极型电极上一页下一页返 回增大反射电极的面积，增加耦合的电容量，提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性(3)信号处理方式信号处理方式鉴幅式测量电路系统可达到0.001mm分辨力，主要在测长仪上使用，鉴相式测量电路系统分辨力为0.01mm，主要在电子数字显示卡尺等数显量具上使用。上一页返 回下一页（a）鉴幅式测量系统鉴幅式测量系统上一页返 回下一页（b）鉴相式测量系统鉴相式测量系统上一页返 回下一页式中，Um发射电极激励信号基波电压幅值；发射电极激励信号基波电压的频率。设 上一页返 回下一页设 反映了传感器输出电压相位的变化规律，而又与位移x有关，故通过测量输出电压的相位，就可间接的测量位移的大小。鉴相式测量电路具有较强的抗干扰能力。鉴相式测量电路在理论上还存在非线性误差，同时由于激励电压含有高次谐波，影响了测量精度。上一页返 回下一页(4)容栅式传感器应用主要应用于量具、量仪和机床数显装置。角位移容栅传感器已在电子数显千分尺及机床分度盘中应用。线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显标尺中应用 上一页返 回