第二章电容式传感器实用课件

,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,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,第,3,章 电容式传感器,3,.1,电容式传感器的工作原理和结构,3,.2,电容式传感器的灵敏度及非线性,3,.3,电容式传感器的测量电路,3,.4,电容式传感器的,主要性能、特点,3,.5,电容式传感器的应用,电容器是电子技术的三大类元件（电阻、电感和电容）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，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。,优点,：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。,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，因此电容传感器的非线性得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。,应用,：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。,3.1,电容式传感器的工作原理和结构,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。,+,+,+,d,A,图,3-1,电容式传感元件的各种结构形式,变极距型（变间隙型）电容传感器,图,3-2,为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的,r,和,A,为常数，初始极距为,d,0,时，由电容表达式可知其初始电容量,C,0,为：,其中：,r,为,介质的相对介电常数,0,为,真空介电常数,(,0,=8.8510,-12,F/m,),图,3-2,变极距型电容式传感器,图,3-3,电容量与极板间距离的关系,d,0,过小时，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图。,图,3-4,放置云母片的电容器,对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为,当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。,为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图。,图3-2 变极距型电容式传感器,为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图。,把两块极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就是电容的另一个极板，其总电容CxC1+C2=2C。,结论：变面积型电容传感器的输出特点为线性。,第3章 电容式传感器,;以 ，,如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化。,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为,汽车气囊对驾驶员的保护作用,极板间介质为空气,0=8.,传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小)影响甚微。,采取措施使A与B等电位，故内层屏蔽线B与信号线A之间无分布电容，而B与C之间存在分布电容，但此分布电容与Cx无联系，不产生影响。,传感器信号线引出电位：,图3-12 运算放大器式电路原理图,极距,d,变化型,+,+,+,+,+,+,变面积型电容式传感器,图,3-5,为变面积型电容传感器原理结构示意图。当动极板相对于定极板沿长度方向平移,x,时，则电容变化为,图,3-5,变面积型电容传感器原理图,结论：变面积型电容传感器的输出特点为线性。,即边长,b,或间隙,d,K,面积变化型,角位移型,+,+,+,平面线位移型,柱面线位移型,.,变介质型电容式传感器,当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种，图,3-6,为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。,6,C=C,A,+C,B,当无,2,介质时电容量为,当插入,2,介质时，,即：电容量,C,与位移,x,呈线性关系,是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。,为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,如图。,即边长b或间隙dK,由上式可见，输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间成非线性关系，当|d/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系：,各种电容式压力变送器外形,结论：运算放大器测量电路输出电压 与动极片间距d,是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。,极板间介质为空气,0=8.,3 电容式传感器的测量电路,对于变极距型其静态灵敏度kg为,例如，对变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为,图3-2 变极距型电容式传感器,汽车气囊对驾驶员的保护作用,变极距型（变间隙型）电容传感器,r为 介质的相对介电常数,电容式传感器除上述优点之外，还可以测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为,当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。,图3-7是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。,产品,.,电容式液位传感器（液位计,/,料位计）,3.2,电容式传感器的灵敏度及非线性,因,d d,0,，有,(,d/d,0,),1,，上式按泰勒级数展开：,其相对非线性误差,：,由上式可见，输出电容的相对变化量,C/C,0,与输入位移,d,之间成非线性关系，当,|,d,/,d,0,|1,时可略去高次项，得到近似的线性关系：,电容传感器的,灵敏度,为：,即：单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与,d,0,呈反比关系。,分析影响,非线性误差,和,灵敏度,的因素。,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，一般采用差动式结构。图,3-7,是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。,图,3-7,差动平板式电容传感器结构图,A,动极板,定极板,差动电容传感器,1.,差动电容式传感器及其输出特性,(,C,1,、,C,2,的介质相同,),设初态,d,01,=,d,02,=,d,0,则,C,01,=,C,02,=,C,0,。动极板上移,d,：,相对非线性误差,：,灵敏度,：,结论：采用差动结构，灵敏度提高了一倍，非线性,误差减少了一个数量级。,3.3,电容式传感器的测量电路,一、变压器电桥,电容式传感器所用的变压器电桥如图,3-8,所示。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为,;,以 ，,代入上式可得,式中，,C,1,、,C,2,为差动电容式传感器的电容量。设,C,1,和,C,2,为变间隙式电容传感器，则有,结论：变间隙式差动电容传感器采用变压器电桥测量,电路，输出电压与位移呈线性关系。,二、运算放大器式电路,1.,工作原理,由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗,Z,i,很高,其特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。图中,C,x,为电容式传感器电容；,U,i,是交流电源电压；,U,o,是输出信号电压；,是虚地点。,.,.,图,3-12,运算放大器式电路原理图,-,K,0,C0,为运算放大器输出电压；为信号源电压；,C,x,为传感器容量；,C,0,为固定电容器。,结论：运算放大器测量电路输出电压 与动极片间距,d,成线性关系。,特点：（,1,）非线性误差小（增益和输入阻抗足够大）。,（,2,）需克服分布电容影响。,办法：将电容引出线屏蔽并接地。,2.,驱动电缆技术（双层屏蔽等电位传输技术）,x,A,B,C,采取措施使,A,与,B,等电位，故内层屏蔽线,B,与信号线,A,之间无分布电容，而,B,与,C,之间存在分布电容，但此分布电容与,Cx,无联系，不产生影响。,图中,K,1,为前置放大器，,K,2,为驱动电缆放大器，,K,3,为主放大器。,传感器信号线引出电位：,内层屏蔽电位：,图,3-11,采用驱动电缆技术,的运算检测电路,消除分布电容的条件：,U,Cx,=U,a,，即,（,1+K,1,K,3,）,U,=,（,K,1,K,2,+K,1,K,3,）,U,即使,K,1,K,2,=1,即可,图3-7是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。,为运算放大器输出电压；,各种电容式压力变送器外形,传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小)影响甚微。,结论：变面积型电容传感器的输出特点为线性。,图中Cx为电容式传感器电容；,3 电容式传感器的测量电路,变介质型电容式传感器,结论：运算放大器测量电路输出电压 与动极片间距d,图3-5为变面积型电容传感器原理结构示意图。,结论：采用差动结构，灵敏度提高了一倍，非线性,又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。,图 3-2为变极距型电容式传感器的原理图。,采取措施使A与B等电位，故内层屏蔽线B与信号线A之间无分布电容，而B与C之间存在分布电容，但此分布电容与Cx无联系，不产生影响。,由上式可见，输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间成非线性关系，当|d/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系：,变介质型电容式传感器,结论：变面积型电容传感器的输出特点为线性。,1 电容式传感器的工作原理和结构,而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；,对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为,2 电容式传感器的灵敏度及非线性,3.4,主要性能、特点,一、主要性能,1,、静态灵敏度,是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。对于变极距型其静态灵敏度,k,g,为,即灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量而变化。减小,d,可以提高灵敏度。但,d,过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为,3kV,/,mm,）。可在极间加一层云母片（其击穿电压大于,10,3,kV/mm,）或塑料膜来改善电容器耐压性能。,灵敏度取决于,R,/,r,，,R,与,r,越接近，灵敏度越高。虽然内外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。,另外，变极距型和变面积型电容式传感器可采用差动结构形式来提高静态灵敏度，一般提高一倍。例如，对变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为,对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为,可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。变面积型和变介电常数型电容式传感器，其输入被测量与输出电容量呈线性关系，因而其静态灵敏度为常数。,显然，输出电容,C,与被测量之间是非线性关系,。,只有当,(,d/d,)1,时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为,C,C,0,(,d/d,),。由于,d,取值不能大，否则将降低灵敏度，因此变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内（,1cm,至零点几,mm,）。,2,、非线性,对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化,：,采用差动形式，并取两电容之差为输出量,C,二、,特点,1,温度稳定性好,传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素,(,因本身发热极小,),影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。,2,结构简单，适应性强,电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作,，适应能力强,，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。,3,动态响应好,电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个,10,-5,N,），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几,MHz,的频率下工作，特别适合动态测量。