第5章电容式传感器.

下页上页第4章电容式传感器传感器的工作原理及类型电容传感器的灵敏度及非线性电容传感器的特性等效电路电容传感器的设计要点电容式传感器的转换电路电容式传感器的应用举例本章要点下页上页电容式传感器？电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容量变化的--种传感器。εδs下页上页§5.1工作原理、分类及应用•一、工作原理ssCr0ε：介质介电常数s：极板面积δ：极板间距离εδs上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？下页上页二、分类(按工作原理分类)•改变s、δ、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。•固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。εδsssCr0下页上页图4－11、变极距型(变间距型)电容传感器–两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量变化.下页上页1、变极距型电容传感器–变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：0.01微米）。dddCddddSdSddSC0–改善非线性，提高灵敏度，减少环境影响，采用差动式结构。下页上页2、变面积电容传感器常用的有角位移型和线位移型两种。一般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱形。下页上页2、变面积型电容传感器电容量的变化与面积的变化成线性关系。dSdSSdSdSC)(''与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。下页上页这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)。还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等3、变介电常数型电容传感器下页上页按结构分类•平板式•圆柱、圆筒式差动式单体式dSC)ln(2rRlC下页上页电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套下页上页电容式接近开关外形下页上页湿敏电容传感器外形下页上页原理：变介质型特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等电容式厚度传感器下页上页其他应用：下页上页1、变间隙式：εδs定极板动极板ε：极板间介质介电常数ε0：真空介电常数εr：极板间介质相对介电常数δ：极板间距离s：极板有效覆盖面积§5.2电容式传感器灵敏度及非线性SSCr0电容：下页上页cSddck2灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。例如：电容式压力传感器，δ＝0.1~0.2mm，C=20~100pF，可测小至0.01um的线位移。适合于微位移的测量。初始极距过小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。灵敏度分析：下页上页000011CsCCC)11(000CC10若：200001CC则：非线性误差分析：下页上页0001CC：略去二次方以上高次项只考虑线性项：00CC非线性误差：%10010000fe%1000下页上页讨论：•为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围△δδ0,，此时，传感器的灵敏度近似为常数。•电容量C与极距δ呈非线性关系，减小初始极距δ将增大非线性误差。•在实际应用中,为了提高灵敏度、减小非线性误差,大都采用差动式结构。下页上页差动电容结构：001AC002AC下页上页2000011CC差动结构分析2000021CC0402000212CC下页上页o灵敏度提高一倍o非线性减小灵敏度：kCk2200'非线性误差：%10020'fe差动结构分析下页上页2、变面积式xbCxabC0)(baδ△x下页上页说明：o灵敏度为一常数，输出特性是线性的。ob↑、δ↓→k↑o适合于测量较大的直线位移和角位移。xbCCC0bxC灵敏系数为：下页上页思考：•用于角位移测量的电容式传感器的结构如下图。A、B为同一平面、形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平面内绕O点摆动。初始时，C处于A、B的中心。设极板间距为d。•试推导：•（1）初始时电容值。•（2）当C向右移动角位移后电容值。•(3)灵敏度。ACCBCCACCBCC下页上页3、变介电常数式电容式液位计ε1：液体介质的介电常数ε0:空气的介电常数；H:电极板的总长度；d、D：电极板的内、外径；dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21下页上页另一种变介电常数的电容式传感器：rrddsddSC000d不变，ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度dε0εrs气隙δ下页上页一、特点1、优点•输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置，因此电容传感器可以测量很小的力，而且很灵敏。精度高达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5μm。•机械损失小。自身发热量很小，又无摩擦，具有很高的精度。•动态特性好。活动部件质量小，因此固有频率高。适于动态信号的测量。•结构简单，适应性好。在振动、强辐射以及很大的温度变化的恶劣环境下工作。§5.2.2电容式传感器的特点及等效电路下页上页电容式传感器的特点2、缺点–输出阻抗高，大到几十兆欧～几百兆欧，带负载能力差。–输出特性非线性较严重。–寄生电容的影响较大，从而导致工作不稳定，降低灵敏度。寄生电容：电容的极板与周围导体构成的电容。下页上页R：串联损耗电阻。引线电阻、金属极板电阻等。(高频)Rp：并联电阻。直流漏电阻、气隙介质损耗等。（低频）L：电容器及引线的动态电感。（高频）Cp：A、B两端的寄生电容。二、等效电路分析下页上页RpRLC二、等效电路分析Rp与并联的相比很大，故忽略并联大电阻Rp。R与串连的相比很小，故忽略串连小电阻R。高频情况下，L对A、B端等效电容的影响。CXC1LXL下页上页LCCCCCee211所以改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。电容传感器测量必须在同样条件下进行。传感器有效电容：CecjLjcje11LCCCe21222211LCkLCcCke下页上页一、交流电桥03241ZZZZ4321ZZZZ平衡条件为))((~~43213241ZZZZZZZZUUsrSC§5.3电容式传感器的转换电路下页上页交流电桥的平衡条件：1423zzzzijiizZe14231423ZZZZ式中，zi——各桥臂的复数阻抗(i=1,2,3,4）；Zi——复数阻抗的模（i=1,2,3,4）；i——复数阻抗的阻抗角（i=1,2,3,4）。相对两臂复阻抗的模之积相等；且相对两臂复阻抗的幅角之和相等。下页上页下页上页电容传感器常用交流电桥形式下页上页•当桥路电源电压与传感元件阻抗相对变化量一定时11ZZ相邻桥臂初始阻抗的模相等，并使两桥臂阻抗幅角差尽量大，可以提高电桥电压灵敏度。21zz21ioUU/电容传感器常用交流电桥形式分析提高电桥电压灵敏度？下页上页图4-13（h）二、变压器电桥等效电路图：E1E2C1C2I1I2IfZf01121222111fffffIIIEZIIcjEZIIcj下页上页fZEEE）考虑（放大器输入阻抗起始时：21jCCZjCECEIff)(1)(212211求得：ffffscZjCCZjCECEZIU)(1)(212211ECCCCUsc2121(5-3-1)下页上页SCSC21对差动变间隙电容器：说明：⑴Z→∞时，U=f(△δ），成线性关系。⑵USC与电源电压有关，所以必须交流稳压。采用稳幅、稳频等措施。0EUsc下页上页变压器电桥输出电路下页上页例：自动平衡电桥下页上页工作过程无油时，起始电容Cx=Cx0，若使Cx0=C0，此时输出为零，指针指零，电桥无输出，系统处于平衡状态,E1Cx0=E2C0油量变化时，Cx=Cx0+△Cx△Cx=k1·h电桥不平衡→输出U→放大→两相电极转动→减速→指针指示→电位器电刷转动→改变E→电桥恢复平衡→输出电压为零、电机停止转动、指针停在某角度上。下页上页hkkCEEk21012是线性电位器所以，指针转角与h成线性关系hkCECCEECEECCExxx101010201)()代入初始平衡条件：（在新的平衡位置：下页上页电容式油量表机械式油量表：在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。下页上页该油量表可用于飞机油箱下页上页三、二极管式线路下页上页下页上页当U为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止。于是电容C1很快被充电至电压U，电源U经R1以电流I1向负载RL供电;与此同时，电容C2经R2和RL放电电流为I2，流过RL的电流为I1、I2的和IL。同理负半周。当C1=C2,R1=R2，则电流IL=IL’,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。下页上页若传感器输入不为0,则C1≠C2,那么IL≠IL’,此时RL上必定有信号输出,其输出在一个周期内的平均值为)()()2(212CCEfRRRRRRRIUfffffsc输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关,而且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后,输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路的灵敏度与电源幅值和频率有关,故输入电源要求稳定。下页上页双T型冲放电网络仿真下页上页下页上页图4-16UFMN四、脉冲调宽型电路下页上页UAU10tUBU10tUABU10tUAU10tUBU10tUABU10tUMUf0tT1UNUf0tT2UMUf0tT1UNUf0tT2时序图下页上页21121TTTTUUUUBPAPscfUUUCRT11111lnfUUUCRT11222ln设R1=R=R2，得：1211UTTTUAP1212UTTTUBP21211CCCCUUsc输出电压：(4-17)下页上页对于变极距型差分电容传感器UddU0对于变面积型差分电容传感器USSU21211CCCCUUsc输出电压：(5-3-15)下页上页•无论是变间隙、变面积电容传感器都能线性输出。输出为矩形波只需经低通滤波器引出即可。•不需要解调。将差动电容传感器的输出变化信号转换成有极性方向和大小输出的直流信号。•由于低通滤波的作用，对输出矩形波的纯度要求不高。•要求精度较高的直流电源。脉冲调宽型电路说明：下页上页五、运放式线路xxFSCcccjcjZZUU00111KCxC0UUSCIXI0按理想运算放大器的条件：下页上页•从原理上解决了单电容变间隙传感器的非线性问题。•实际上，Zi≠∞，K≠∞，所以，存在一定非线性，Zi、K很大，非线性很小。•USC与C0、U有关，所以需要高精度交流稳压