传感器与检测技术第3章电容式传感器C特点及误差分析

传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析11传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系主讲教师：苏永清传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析2例题例题 图为二极管环形检波测量电路。图为二极管环形检波测量电路。C C1 1和和C C2 2为差动式电为差动式电容传感器，容传感器，C C3 3为滤波电容，为滤波电容，R RL L为负载电阻。为负载电阻。R R0 0为限流电阻为限流电阻。U UP P是正弦波信号源。设是正弦波信号源。设R RL L很大，并且很大，并且C C3 3CC1 1,C,C3 3CC2 2。 试分析此电路工作原理；试分析此电路工作原理； 画出输出端电压画出输出端电压U UABAB在在C C1 1=C=C2 2、C C1 1CC2 2、C C1 1CC2 2三种情况下波形三种情况下波形图；图； 推导数学表达式。推导数学表达式。传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析30,0,0,212121ABABABUCCUCCUCC),(,21332211CCCCUCjIUCjIPP阻抗可忽略，ABABZIIU)(21 UAB波形图如图3-5(b）所示。由波形图可知 ，则 31231()1LPLRj cjCC URj C121233)PPCCCCjUUj CC（输出电压平均值PABUCCCKU321，式中K为滤波系数 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析4上讲复习1、电容传感器的等效电路cZsRLCpR22011 (/)ECCCLCff等效电容传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析52、交流不平衡电桥11222(1)(1)SCZZZZAAAUEKEA令 为传感器阻抗相对变化值；A=为桥臂比，K=为桥臂系数则：思考 和应变式传感器直流电桥的关系传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析63、二极管环形检波电路如图3-10所示：012()iUKU f CC传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析74、差动脉冲宽度调制电路12120111212TTCCUUUTTCC传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析85、运算法测量电路011xiixj CCUUUj CC 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析93-3 3-3 电容式电容式 特点及误差分析特点及误差分析1 1温度稳定性好温度稳定性好 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 2结构简单，适应性强结构简单，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，也能对带磁带磁工件进行测量。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。传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析10103 3动态响应好动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个10-5N），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。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。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。4 4可以实现非接触测量、具有平均效应可以实现非接触测量、具有平均效应当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、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0.001m甚至更小的位移。 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析1111不足：1 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几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，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106108。因此传感器负载能力差，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不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十M以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析12122 2寄生电容影响大寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容杂散电容以及传感器极板与其传感器极板与其周围导体构成的电容周围导体构成的电容等“寄生电容寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度；这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求3 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特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析13132 2消除和减小边缘效应消除和减小边缘效应适当减小极间距减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。此外，可在结构上增设等位环等位环来消除边缘效应。等位环3与电极2在同一平面上并将电极2包围，且与电极2电绝缘但等电位，这就能使电极2的边缘电力线平直，电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。 带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析1414 （1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积增加工作面积或工作长度工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF范围内，相对值变化在 10-61范围内。 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。可采用方法： 3 3消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响（1 1）增加传感器原始电容值）增加传感器原始电容值（2 2）注意传感器的接地和屏蔽；（）注意传感器的接地和屏蔽；（3 3）集成化）集成化（4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输) )技术技术（5 5）采用运算放大器法；）采用运算放大器法；传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析15 （2 2）注意传感器的接地和屏蔽）注意传感器的接地和屏蔽 图为采用接地屏蔽的圆筒形电容式传感器。图中可动极筒与连杆固定在一起随被测量移动。可动极筒与传感器的屏蔽壳（良导体）同为地，因此当可动极筒移动时，固定极筒与屏蔽壳之间的电容值将保持不变，从而消除了由此产生的虚假信号。 引线电缆也必须屏蔽在传感器屏蔽壳内。为减小电缆电容的影响，应尽可能使用短而粗的电缆线，缩短传感器至电路前置级的距离。 绝缘体屏蔽壳固定极筒可动极筒连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析16 （3 3）集成化）集成化 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。 （4 4）采用）采用“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输) )技术技术 当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过1:1放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。采用这种技术可使电缆线长达10m10m之远也不影响仪器的性能，如图。 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析17外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达准确度要求达1 1/ /1000010000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。 1：1测量电路前置级外 屏 蔽层内 屏 蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图 当电容式传感器的初始电容值很大(几百F)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析185 5防止和减小外界干扰防止和减小外界干扰当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为： n屏蔽和接地。传感器壳体；导线；传感器与测量电路前置级等等。n增加原始电容量，降低容抗。n导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。n尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。n采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析19电容式传感器的应用1、电容式差压变送器11高压侧进气口高压侧进气口22低压侧进气口低压侧进气口33过滤片过滤片44空腔空腔55柔性不锈钢波纹隔离膜片柔性不锈钢波纹隔离膜片66导压硅油导压硅油7 7 凹形玻璃圆片凹形玻璃圆片88镀金凹形电极镀金凹形电极99弹性平膜片弹性平膜片1010 腔腔传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析20高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析212、电容式液位计传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析22传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析23电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。输出为高电平的型号。传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析24液位限位传感器的设定液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的智能化液位传感器的设定方法十分简单：设定方法十分简单： 用手指压住设定按钮用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。信号和控制信号。设定按钮设定按钮传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析253、加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析26微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感器技术指标：技术指标： 灵敏度：灵敏度：500mV/g500mV/g， 量程：量程：10g 10g 频率范围：频率范围：0.5-2000Hz0.5-2000Hz 安装谐振点安装谐振点:8kHz:8kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 0.00004g 重量：重量：200g 200g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm M5 mm 线性误差：线性误差：1% 1% 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析27硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 11加速度测试单元加速度测试单元 22信号处理电路信号处理电路33衬底衬底 44底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 55多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 66顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析28 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C C1 1、C C2 2。图。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 当它感受到上下振动时，当它感受到上下振动时，C C1 1、C C2 2呈差动变化。与加速度呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C C 转换成直流输转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10g 10g 以上。以上。 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。器，就可以测量三维方向的振动或加速度。传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析29 两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。 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，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等，符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。差动式电容加速度传感器结构差动式电容加速度传感器结构传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析30(1)加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 装有传感器的假人装有传感器的假人气囊气囊传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析31汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。 传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析32(2)利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析33指纹识别 指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。 右图为指纹经过处理后的成像图：传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析34指纹识别 指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。传感器与检测技术第3章电容式传感器-C特点及误差分析35本章结束，有何疑问？