第五章电容式传感器课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 电容式传感器(capacitive sensor),绪论,电容式传感器,是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。,特点,：,（1）小功率、高阻抗。,（2）小的静电引力和良好的动态特性。,（3）本身发热影响小。,（4）可进行非接触测量。,应用,：位移、振动、角度、加速度、压力、液位、湿度等物理量的测量,第五章 电容式传感器(capacitive sensor,1,5.1电容式传感器的工作原理及结构形式,To a parallel plane plate capacitor,its capacitance is:C=,A/d=,r,0,A/d (5-1-1),r,Relative permittivity;,Any phenomenon or quantity producing a variation in will result in a change in the,capacitance C and can be in principle sensed by the device.,5.1电容式传感器的工作原理及结构形式,2,第五章电容式传感器课件,3,5.1.1,变间隙的电容式传感器(capacitive sensors based on a variation of plate separation),一、空气介质的变间隙电容式传感器,初始电容量：C,0,=,0,A/d,0,当间隙,d,0,减小,d,时（,d,d,0,），则：,(5-1-2),5.1.1变间隙的电容式传感器(capacitive sen,4,电容的相对变化量为：,(5-1-3),(5-1-4),结论：电容的相对变化与位移之间为非线性关系。但当,d,d,0,时，略去非线性项，得到近似的线性关系式：,The equation takes a linear form when,d,d,0,(5-1-5),电容的相对变化量为：,5,灵敏度：S,n,=,C/d,=C,0,/,d,0,非线性误差,为：,=|d,/,d,0,|%,C/C C,2 1,d/d d,6,采用差动式电容传感器(differential capacitor)可以减小非线性误差,定极板,动极板,采用差动式电容传感器(differential capaci,7,电容总变化为：,(5-1-6),近似值：(5-1-7),非线性误差为；,=(d,/,d,0,)%,电容总变化为：,8,二、具有固体介质的变间隙电容式传感器,From equation：,=|d,/,d,0,|%,we observe that the nonlinear can be reduced when d,0,is very small,but we must remember that there is a minimal separation determined by dielectric breakdown that is 30kV/cm for air.This problem can be solved by adding an additional dielectric in a parallel plate capacitive sensor.,空气,动极板,d1,d2,定极板 固体,二、具有固体介质的变间隙电容式传感器,9,The total capacitance is：,如果气隙,d,1,减小,d,1,，电容将增大,C,，则：,The total capacitance is：,10,电容相对变化：,电容相对变化：,11,近似为：,(5-1-8),N,1,d,2,/d,1,对于不同的,2,关系曲线：,N,1,2,=,10,2,=,5,2,=,4,2,=,3,2,=,1,d,2,/d,1,近似为：,12,a b,X,x,5.1.2,变面积的电容式传感器(capacitive sensors based on a variation of plate area),当动极板移动,x,后，极板相对有效面积发生变化，对应的电容值为：,C,X,=,b(a-x)/d=,C,0,-bx/d,第五章电容式传感器课件,13,则：,C=,C,X,-,C,0,=-bx/d=-,C,0,x/a (5-1-9),灵敏度：S,n,=-,C/x=b/d (5-1-10),5.1.3变介电常数的电容式传感器(capacitive sensors based on a variation of dielectric),a,d,则：,14,电容：C=,0,A/(a,-d+d,/,r,)(5-1-11),若固体介质的介电常数增加,r,时，电容相应增加,C:,C+C=,0,A/a,-d+d,/(,r,+,r,),电容的相对变化量为：,C,=,r,N,2,(5-1-12),C ,r,1+,N,3,(,r,/,r,),式中：,N,2,=1/1+,r,(a,d)/d;,N,2,=1/1+d/,r,(a,d);,电容：C=0A/(a-d+d/r),15,当N,3,(,r,/,r,)1,时，展开(5-1-12)式:,C,=,r,N,2,1+,N,3,r +,N,3,r,-,N,3,r,+,C ,r,r,r,r,N,2,N,3,(5-1-13),1 ,r,=1 1,r,=10,r,=10 ,r,=1,d/(a-d)d/(a-d),当N3(r/r)1时，展开(5-1-12)式:,16,如果是测量介质厚度的变化，则式,(5-1-11),对应的电容变化为：,C,=,d,N,4,C d,1-,N,4,(d,/d)(5-1-14),式中：N,4,=(,r,1)/1+,r,(a-d)/d;,N,4,(d,/d)1,则式,(5-3-4),可展开成：,C,=,d,N,4,1+,N,4,d,+,N,4,d,+,N,4,d,+,C d,d,d,d,(5-1-15),如果是测量介质厚度的变化，则式(5-1-11)对应的电容变化,17,Chapter 5 capacitive sensors,N,4,r,=10,d/(a-d),Chapter 5 capacitive sensorsN4,18,Chapter 5 capacitive sensors,5.2电容式传感器的等效电路,R,S,L 图中：R,S,为引线电阻；,R,P,为并联损耗电阻,C R,P,有效电容为：C,e,=C/(1-,LC)(5-2-1),实际的电容相对变量为：,C,e,/C=(,C,/C)/(,1-,LC)(5-2-2),Chapter 5 capacitive sensors5.,19,Chapter 5 capacitive sensors,5.3电容式传感器的信号调节电路(signal,conditioning circuit for capacitive sensors),5.3.1运算放大器式电路(linearizing circuit),特点：输出电压与输入位移有线性关系,C,x,C,0,I,x,u,i,a,I,0,b,-K,u,0,Chapter 5 capacitive sensors5.,20,第五章电容式传感器课件,21,5.3.2电桥电路,电桥,U/2,C,1,相敏 滤波器,C,2,U,0,A,检波 输出,U/2,振荡器,电桥输出：U,0,=U(C,1,-C,2,)=U,d (5-3-3),2(,C,1,+,C,2,)2d,0,5.3.3调频电路,5.3.4谐振电路,5.3.2电桥电路,22,U/2,Z,1,A B,U/2,Z,2,U,0,u,设初始状态：Z,1,=Z,2,=Z；,工作时，设 Z,1,=Z+Z；Z,2,=Z-Z,则：,第五章电容式传感器课件,23,如果：Z,1,=Z-Z；Z,2,=Z+Z,如果：Z1=Z-Z；Z2=Z+Z,24,振荡,C L 回路 输出,f=1/(2,LC),第五章电容式传感器课件,25,L,1,L,2,振荡器 C,1,C,2,C,3,整流 放大 输出,5.3.5二极管T型网络,V,2,B R,2,V,1,A R,1,0 C,0,C,2,+C,3,E,i,C,1,C,2,R,L,R,1,R,2,I,1,(t),C,1,R,L,I,2,C,2,E,L1,26,解方程得：,解方程得：,27,同理，对正半周列出方程，可得：,一个周期输出电流对时间的平均值为：,式中：k,1,=(R+,R,L,)/2RfC,1,(R+2,R,L,);,k,2,=(R+,R,L,)/2RfC,2,(R+2,R,L,);,同理，对正半周列出方程，可得：,28,相应的输出电压平均值为：,5.3.6,脉冲宽度调制电路,V,1,A,1,双稳态,Q A R,1,F,U,r,C,1,A,3,u,AB,A,2,触发器 Q B R,2,C,2,G,V,2,相应的输出电压平均值为：,29,u,A,u,A,U,1,U,1,0 t 0 t,u,B,u,B,U,1,U,1,0 t 0 t,u,AB,u,AB,U,1,0 t 0 t,u,F,u,F,u,r,u,r,0 t 0 t,u,G,T,1,u,G,T,1,u,r,T,2,u,r,T,2,uA,30,u,AB,经过滤波后，即可得到一直流输出电压U,0,(5-3-9),式中：,uAB经过滤波后，即可得到一直流输出电压U0,31,当电阻R,1,=R,1,=R时，(5-3-9)式为：,(5-3-10),如果是变间隙式，则：,因为：d,1,=d,0,+,d;d,2,=d,0,-,d;d,1,+d,2,=d,0,；则：,当电阻R1=R1=R时，(5-3-9)式为：,32,Chapter 5 capacitive sensors,5.4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施,5.4.1温度对结构尺寸的影响,5.4.2温度对介质介电常数的影响,5.4.3漏电阻的影响,5.4.4边缘效应(fringe effect)与寄生参量的影响,一、缩短传感器至测量线路前置级的距离,二、驱动电缆法,三、整体屏蔽法,5.4.5增加原始电容值，减小寄生电容和漏电的影响,Chapter 5 capacitive sensors5.,33,驱动电缆放大器,1,内屏蔽 引出线,测量电路,外屏蔽,传感器,5.5电容传感器的应用,5.5.1膜片电极式压力传感器,驱动电缆放大器,34,固定极板,r,d0,y h,膜片电极,a,R 被测压力P,第五章电容式传感器课件,35,初始电容值为：,受压力时，膜片各点凸起的挠度为：,球面上宽度为dr，长度为2,r,的环形带与固定电极间的电容值为：,初始电容值为：,36,传感器总电容值为：,由压力P引起的传感器电容的相对变化值为：,传感器总电容值为：,37,38,CCPS32陶瓷电容压力传感器,CCPS32传感器是E+H公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷电容压力传感器，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性可以使它的工作温度范围高达-40125，而且具有测量的高精度、高稳定性。其最大特点是：量程可以小到500Pa，抗过载能力可达量程的200倍，彻底解决了其它类型传感器没有小量程及在小量程时过载能力差的缺点。压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，衬底的电极与膜片电极的电容量变化比例于压力大小，使膜片产生0.03mm的位移，传感器专用信号调理电路放大输出高达4000mV的直流电压，内置的温度传感器不断测量介质的温度并进行温度补偿。,外形尺寸：32.45.25.7.12mm,CCPS32陶瓷电容压力传感器,39,