传感器原理及应用-第二章课件

传感器技术传感器技术主讲：吴秋宁主讲：吴秋宁第第二二章章力传感器力传感器第三节第三节 电容式传感器电容式传感器优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。应用应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。和成分含量等测量之中。电容器是电子技术的三大类无源元件电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电电阻、电感和电容容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。原理：被测非电量转换为电容量的变化原理：被测非电量转换为电容量的变化种类：变极距种类：变极距、变面积、变面积A、变介质、变介质、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。一、一、工作原理与类型工作原理与类型（一）工作原理（一）工作原理（二）（二）类型类型三种基本类型三种基本类型：l变极距变极距(变间隙变间隙)()型型l变面积型变面积型(A)型型l变介电常数变介电常数()型型表表5-1列出了电容式传感器的三种基本结构形式。列出了电容式传感器的三种基本结构形式。l位移位移：线位移和角位移两种。：线位移和角位移两种。l极极板板形形状状：平平板板或或圆圆板板形形和和圆圆柱柱(圆圆筒筒)形形，虽虽还还有有球球面面形形和和锯锯齿齿形形等等其其他他的的形形状状，但但一一般般很很少少用用，故故表表中中未列出。未列出。其中差动其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。敏度高、线性范围宽、稳定性高。输入输出关系：输入输出关系：/0C/C0具有严重非线性。具有严重非线性。灵敏度：灵敏度：1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器 2 2、变面积型电容传感器、变面积型电容传感器变变面面积积型型电电容容传传感感器器中中，平平板板形形结结构构对对极极距距变变化化特特别别敏敏感感，测测量量精精度度受受到到影影响响。而而圆圆柱柱形形结结构构受受极极板板径径向向变变化化的的影影响响很很小小，成成为为实实际际中中最最常常采采用用的的结结构构，其其中线位移单组式的电容量中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为在忽略边缘效应时为l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1圆筒内半径和内圆柱外半径。圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动l时，电容变化量时，电容变化量C为为这类传感器具有良好的线性这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。大多用来检测位移等参数。3 3、变介电常数型电容传感器、变介电常数型电容传感器 变变介介电电常常数数型型电电容容式式传传感感器器大大多多用用来来测测量量电电介介质质的的厚厚度度、液液位位，还还可可根根据据极极间间介介质质的的介介电电常常数数随随温温度度、湿湿度改变而改变来测量介质材料的度改变而改变来测量介质材料的温度温度、湿度湿度等。等。n若若忽忽略略边边缘缘效效应应，单单组组式式平平板板形形厚厚度度传传感感器器如如下下图图，传感器的电容量与被厚度的关系为传感器的电容量与被厚度的关系为x厚度传感器厚度传感器 a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；:两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；x、0 0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。n若若忽忽略略边边缘缘效效应应，单单组组式式平平板板形形线线位位移移传传感感器器如如下下图图，传感器的电容量与被位移的关系为传感器的电容量与被位移的关系为 a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；:两固定极板间的距离；两固定极板间的距离；x、0 0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。l平平板板形形lxn若若忽忽略略边边缘缘效效应应，圆圆筒筒式式液液位位传传感感器器如如下下图图，传传感感器器的电容量与被液位的关系为的电容量与被液位的关系为液位传感器液位传感器hC1CC2可见，传感器电容量可见，传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x成线性关系。成线性关系。2r12r2hx例例某电容式液位传感器由直径为某电容式液位传感器由直径为40mm和和8mm的两个同的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为，高为1.2m。被储存液体的。被储存液体的r2.1。计算传感器的最小电容和。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最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)解：解：二、二、电容式电容式传感器等效电路传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：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；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；为传感器本身的电容；Cp为为引引线线电电缆缆、所所接接测测量量电电路路及及极极板板与与外外界界所所形形成成的的总总寄生电容；寄生电容；Rg是是极极间间等等效效漏漏电电阻阻，它它包包括括极极板板间间的的漏漏电电损损耗耗和和介介质质损损耗耗、极极板板与与外外界界间间的的漏漏电电损损耗耗介介质质损损耗耗，其其值值在在制制造造工艺上和材料选取上应保证足够大。工艺上和材料选取上应保证足够大。C0CpRgLrCeReLreCe供电电源频率为谐振频率的供电电源频率为谐振频率的1/31/2二、电容式传感器特点二、电容式传感器特点 1.优点：优点：.温度稳定性好：电电容容式式传传感感器器的的电电容容值值一一般般与与电电极极材材料料无无关关，有有利利于于选选择择温温度度系系数数低低的的材材料料，又又因因本本身身发发热热极极小小，影影响响稳稳定定性性甚甚微微。而而电电阻阻传传感感器有铜损等，易发热产生零漂。器有铜损等，易发热产生零漂。.结构简单：电电容容式式传传感感器器结结构构简简单单，易易于于制制造造，易易于于保保证证高高的的精精度度，可可以以做做得得非非常常小小巧巧，以以实实现现某某些些特特殊殊的的测测量量；能能工工作作在在高高温温，强强辐辐射射及及强强磁磁场场等等恶恶劣劣的的环环境境中中，可可以以承承受受很很大大的的温温度度变变化化，承承受受高高压压力力，高高冲冲击击，过过载载等等；能能测测量量超超高高温温和和低压差，也能对带磁工作进行测量。低压差，也能对带磁工作进行测量。.动动态态响响应应好好：电电容容式式传传感感器器由由于于带带电电极极板板间间的的静静电电引引力力很很小小（约约几几个个10105 5N N），需需要要的的作作用用能能量量极极小小，又又由由于于它它的的可可动动部部分分可可以以做做得得很很小小很很薄薄，即即质质量量很很轻轻，因因此此其其固固有有频频率率很很高高，动动态态响响应应时时间间短短，能能在在几几兆兆HzHz的的频频率率下下工工作作，特特别别适适用用于于动动态态测测量量。又又由由于于其其介介质质损损耗耗小小可可以以用用较较高高频频率率供供电电，因因此此系系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。.可可以以非非接接触触测测量量，具具有有平平均均效效应应：例例如如 非非接接触触测测量量回回转转轴轴的的振振动动或或偏偏心心率率、小小型型滚滚珠珠轴轴承承的的径径向向间间隙隙等等。当当采采用用非非接接触触测测量量时时，电电容容式式传传感感器器具具有有平平均均效效应应，可可以以减减小小工工件件表表面面粗粗糙糙度度等等对对测测量量的的影影响响。电电容容式式传传感感器器除除了了上上述述的的优优点点外外，还还因因其其带带电电极极板板间间的的静静电电引引力力很很小小，所所需需输输入入力力和和输输入入能能量量极极小小，因因而而可可测测极极低低的的压压力力、力力和和很很小小的的加加速速度度、位位移移等等，可可以以做做得得很很灵灵敏敏，分分辨辨力力高高，能能敏敏感感0.01m 0.01m 甚甚至至更更小小的的位位移移；由由于于其其空空气气等等介介质质损损耗耗小小，采采用用差差动动结结构构并并接接成成电电桥桥式式时时产产生生的的零零残残极极小小，因因此此允允许许电电路路进进行行高高倍倍率率放放大大，使使仪仪器器具有很高的灵敏度。具有很高的灵敏度。二、电容式传感器特点二、电容式传感器特点2.缺点缺点（1）输出阻抗高，负载能力差）输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般微几十导几百皮法，其值只有几个皮法，使 传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108106。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。二、电容式传感器特点二、电容式传感器特点（2）寄生）寄生电容影响大。容影响大。电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。（3）输出特性非线性。）输出特性非线性。变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型传感器也只有忽略电场的边缘效应时，输出才是线性的。二、电容式传感器特点二、电容式传感器特点三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路1.交流电桥电路交流电桥电路交交流流电电桥桥电电路路如如图图所所示示，高高频频电电源源经经变变压压器器接接到到电电桥桥的的一一条条对对角角线线上上，电电容容C1、C2、C3、Cx构构成成电电桥桥的的4个个臂臂，Cx为为电电容容传传感感器，交流电桥平衡时则器，交流电桥平衡时则U0=0。当。当Cx改变时，改变时，U00，有电压输出。，有电压输出。此此种种电电桥桥电电路路要要求求交交流流电电源源的的幅幅度度和和频频率率都都十十分分稳稳定定；电电桥桥放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗要要高高；测测量量系系统统的的动动态态响响应应受受电电桥桥供供电电电电源源的的频频率率限制，一般要求电源频率为被测信号最高频率的限制，一般要求电源频率为被测信号最高频率的510倍。倍。交流电桥电路交流电桥电路 2.2.变压器器电桥 如如图图所所示示，C1C1、C2C2为为传传感感器器的的两两个个差差动动电电容容。电电桥桥的的空空载载输输出出电电压压为为对变极距型电容传感器，代入上式得对变极距型电容传感器，代入上式得变压器电桥变压器电桥 三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路3.调频电路调频电路 电电容容式式传传感感器器的的调调频频电电路路原原理理如如图图所所示示。该该电电路路将将电电容容式式传传感感器器接接入入高高频频振振荡荡器器的的LCLC回回路路中中，当当被被测测量量变变化化时时，电电容容也也随随之之变变化化，产产生生一一个个变变化化量量CC，使使得得振振荡荡频频率率也也相相应应变变化化。调调频频振荡器的振荡频率为振荡器的振荡频率为三、电容式位移传感器测量电路三、电容式位移传感器测量电路4.脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 当当接接通通电电源源后后，若若触触发发器器Q Q端端为为高高电电平平(U(U1 1)，端端为为低低电电平平(0)(0)，则则触触发发器器通通过过R R1 1对对C C1 1充充电电；当当F F点点电电位位U UF F升升到到与与参参考考电电压压U Ur r相相等等时时，比比较较器器ICIC1 1产产生生一一脉脉冲冲使使触触发发器器翻翻转转，从从而而使使Q Q端端为为低低电电平平，端端为为高高电电平平(U(U1 1)。此此时时，由由电电容容C C1 1通通过过二二极极管管D D1 1迅迅速速放放电电至至零零，而而触触发发器器由由端端经经R R2 2向向C C2 2充充电电；当当G G点点电电位位U UG G与与参参考考电电压压U Ur r相相等等时时，比比较较器器ICIC2 2输输出出一一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 三、电容式位移传感器测量电路三、电容式位移传感器测量电路 可可以以看看出出，电电路路充充放放电电的的时时间间，即即触触发发器器输输出出方方波波脉冲的宽度受电容脉冲的宽度受电容C1C1、C2C2调制。调制。当当C1=C2C1=C2时时，各各点点的的电电压压波波形形如如图图(a)(a)所所示示，Q Q和和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当当C1C1C2C2时时，各各点点的的电电压压波波形形如如图图(b)(b)所所示示，Q Q、两两端间的平均电压端间的平均电压(经一低通滤波器经一低通滤波器)为为式中：式中：T1T1和和T2T2分分别为Q Q端和端和 端端输出方波脉冲的出方波脉冲的宽度，亦即度，亦即C1C1和和C2C2的充的充电时间。各点电压波形图三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，有 这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有 三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路5 5运算放大器运算放大器电路路这这种种电电路路不不需需要要载载频频和和附附加加解解调调线线路路，无无波波形形和和相相移移失失真真；输输出出信信号号只只需需要要通通过过低低通通滤滤波波器器引引出出；直直流流信信号号的的极极性性取取决决于于C C1 1和和C C2 2；对对变变极极距距和和变变面面积积的的电电容容传传感感器器均均可可获获得得线线性性输输出出。这这种种脉脉宽宽调调制制线线路路也也便便于于与与传传感感器器做做在在一一起起，从从而而使使传传输误差和干扰大大减小。输误差和干扰大大减小。图图为为其其电电原原理理图图。C1C1为为传传感感器器电电容容，它它跨跨接接在在高高增增益益运运算算放放大大器器的的输输入入端端和和输输出出端端之之间间。放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗很很高高(Zi)(Zi)，因因此此可可视视作作理理想想运运算算放放大大器器。其其输输出出端端输输出出一一与与C1C1成成反反比比的的电电压压U U0 0，即，即运算放大器电路运算放大器电路三、三、电容式位移传感器测量电路电容式位移传感器测量电路式中，式中，UiUi为信号源电压，为信号源电压，C0C0为固定电容，要求它们为固定电容，要求它们都很稳定。都很稳定。对变极距型电容传感器对变极距型电容传感器(C1(C10 0r rA/)A/)，公式可写，公式可写为为 可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。三、电容式传感器测量电路三、电容式传感器测量电路n压力测量压力测量：差压传感器、变面积传感器、荷重传感器：差压传感器、变面积传感器、荷重传感器n水分检测：粮食水分检测：粮食、油、油n液位测量液位测量n加速度加速度测量测量四、电容式传感器的应用四、电容式传感器的应用四、电容式传感器的应用四、电容式传感器的应用1 1、电容式位移传感器、电容式位移传感器测杆测杆固定电极固定电极活动电极活动电极开槽片簧开槽片簧2 2、电容式压力传感器、电容式压力传感器金属膜片金属膜片玻璃玻璃玻璃玻璃多孔金属滤波器多孔金属滤波器金属渡层金属渡层垫圈垫圈P P3 3、电容式加速度传感器、电容式加速度传感器固定电极固定电极固定电极固定电极质量块质量块m m质量块质量块m m 弹簧片弹簧片+C C-C C4 4、电容式液位传感器、电容式液位传感器绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极不导电液体不导电液体导电液体导电液体绝缘绝缘内电极内电极外电极外电极5 5、电容式荷重传感器、电容式荷重传感器6 6、电容式测厚仪、电容式测厚仪C+C+C CC CU U电容耦合电容耦合直流电压输出直流电压输出