传感器及其应用_第4章电容式传感器

2020年1月7日1第4章电容式传感器及应用掌握电容式传感器工作原理。了解电容式传感器主要类型及各自的主要特点。了解解电容式传感器的测量电路和主要应用。2020年1月7日2将被测量的非电量转换为自身电容的一种传感器。两平行极板组成的电容器,它的电容量为:dAdεAC0当被测量d、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。4.1电容式传感器工作原理式中——真空介电常数，8.85×10-12（F/m）；——极板间介质的相介电常数；——极板相互遮盖的面积(m2)；d——极板距离(m);——介质的相对介电常数。r+++A+++A+++Ad2020年1月7日31.空气介质极距变化型极距变化型电容式传感器的结构原理见下图。根据式4.2电容式传感器的类型一、极距变化型AC0(3.4-3)当极板间距减小d时，电容为：000011ddCddAC电容增量为：0000000/1//1/ddddCddddCCCC2020年1月7日4当d/d01时，忽略非线性项，有：00ddCC10001ddddCC电容相对变化量当极板间距增大d时，电容相对变化量10001ddddCC灵敏度20000dAdCdCk相对非线性误差%100%100)1(0302000010ddddddddCCddCef2020年1月7日5实际中，为了提高灵敏度等常采用差动形式。30200011ddddddCC30200021ddddddCC4020012ddddddCC2020年1月7日6ddCC2dCdCk02%1002230705030ddddddddef则有灵敏度非线性相对误差2020年1月7日72、加固体介质的极距变化型电容传感器减小间隙能提高灵敏度，但又易击穿，为此，经常在两极片间加一层介电常数值高一些的介电物质，如云母、塑料膜等。221021111ddACCC22110)(dddAC21212211111,ddddNdddNCC其中211ddNCdCk灵敏度为：2020年1月7日8二、面积变化型包括线位移型（平面线位移和圆柱体线位移）和角位移型两种。2020年1月7日9线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种。(3.4-8)1.平面线位移型aCxCkaxCCaxCCaxCdbxadACXx0000)1()(相对变化灵敏度2020年1月7日10drC22灵敏度为2.角位移型0CCdrCCk220电容变化量灵敏度3.圆柱形线位移型起始电容为dDlCln55.002020年1月7日11。－内外圆筒间介电常数－内圆筒的外经；－外圆筒的内经；－圆筒的高度；式中dDl当有位移△x时lxCCCΔCdDxlCxx00ln)(55.0电容变化量为2020年1月7日12)/ln(55.00dDlxxCklxCC灵敏度电容的相对变化量构成差动筒型电容传感器时lCxCklxCC002,22020年1月7日13三、介质变化型这种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位等。(3.4-12)(3.4-13)2020年1月7日14CACB12xl2如右图，厚度为2的介质（2为其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电容量改变。设电容器极板宽度为b，介质2的宽度大于等于b。2020年1月7日1510blC2121εεεεACCCCC22112212εδεδbxεδε)δ(δbxlxCCxlbCB001)(当极板间无介质2时，存在介质时，C=CA+CB（并联）其中：1=-2212121001lxCCC从而：2020年1月7日1621212101lCdxdCS显然，灵敏度为常数，输入输出成线性关系。灵敏度2020年1月7日174.3电容式传感器的测量电路一、普通交流电桥初始bcCC0bbccCjZCjZ1,1其中ibccbibcbcoUCCCCUZZZZU)(2)(2二、变压器电桥2020年1月7日1821212CCCCUiUsc当C1，C2为差动电容传感器的电容时CCCCCC0201,，则有02CΔCUiUsc也可以用右边的电桥uiUi/2Ui/2C1C2放大相敏检波滤波2020年1月7日19三、调频电路xC0CL调频振荡器限幅器鉴频器放大器Usc)(210CCLfx])[(210CCCLffxx2020年1月7日20四、运算放大器电路UiUscIiIxiC0CxxiscCCUU0五、电容式传感器特点1.功率小、阻抗高；2.静电力小、动态特性好；3.本身发热量小；4.结构简单；5.初始电容小，分布电容、寄生电容影响大。2020年1月7日214.4电容式传感器误差分析、补偿及应用一、误差分析和补偿1.减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘性。2.消除和减小边缘效应。2020年1月7日223.消除和减小寄生电容的影响①增加原始电容值可减小寄生电容的影响。③尽量采用差动式电容传感器，可减小非线性误差，提高灵敏度，减小寄生电容的影响以及减小干扰。二、电容式传感器应用1.电容式压力传感器2020年1月7日232.电容式位移传感器3.电容式加速度传感器2020年1月7日243.电容式液位传感器2020年1月7日25三、MEMS电容加速度传感器kxmamxak2020年1月7日262020年1月7日272020年1月7日282020年1月7日292020年1月7日30四、电容传感器应用示例例1.有一变极间距离的差动电容传感器，其结构如图6－20所示，选用变压器交流电桥作为测量电路。差动电容器参数：r=12mm,d1=d2=d0=0.6mm,空气介电常数ε＝ε0＝8.85×10-12F/m；测量电路参数：Usr=3sinωt(V).试求动极板上输入位移（设向上位移）△x＝0.05mm时，电桥输出端电压Usc?解：起始时C1=C2=C0)(67.66.01210/1085.8223120200pFmmmmmmFdrdAC2020年1月7日31因△xd0,则1216.005.000dxCC由变压器交流电桥，可得uuZZZuCCCsc2212)(1)(1,,2010212121CCjZCCjZCCZZCCCC的容抗为电容式中代入usc,在条件△C1=△C2=△C下化简有(V)sin1230tuCCusc2020年1月7日32usruuC1C2相敏检波低通滤波Vo加入相敏检波和滤波电路后的电路为例2.电容式汽车油箱油位计2020年1月7日33（1）油位传感器的结构设陶瓷管的外径为R，内径为r，两电极端面的初始角为2α0，并设电极厂为H，陶瓷管和空气的复合介电常数为ε∑,则有ddsdc0无油时的初始电容C02lnsin200000000ctgHRHRddcC复合介电常数ε∑202101VVVV2020年1月7日34当传感器浸入油面的深度为h时，传感器的电容为BhActghRrHRrHRrCS2ln)()1(002322222122因此，传感器的结构确定后，其电容与浸入油面的深度h成线性关系。（2）测量电路2ln)1(00222122ctgHRrHRrA2ln)(002322ctgRrB其中2020年1月7日352020年1月7日36一个周期输出变低翻转为高电平升为高电平迅速放电导通由高变低翻转为高。反向经由高变低先翻转首先电平按指数减小充电对通过电源接通31212122231112121,,,.2.1,,,VTCPVVCCVTVTVCPVVVVTVCPVVVVCCRRrSOrefOOrefrSCS略小于Cr,且R1=R2当电源接通时（t=0），V1为高电平（＝VCC），V1然后逐渐降低SCRtCCeVtV1)(1当srefTttVtV11)(时，2020年1月7日37则有,11refCRtCCVeVSkCRTtssln11同理有kCRTttrrln221refCCVVk式中CCrsCCOVCCVtttV)1(212将CS=A+Bh代入上式CCrCCOVCBhAVtttV)1(212该电路实现了油位的线性变换。2020年1月7日38思考题1.根据电容式传感器工作原理，可将其分为几类？每种类型各有什么特点？可用于什么场合？2.如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？3.下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于液位高低测量的原理图。设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h，变换器总高度为H。内筒外径为d，外筒内径为D，空气介电常数为ε，推导电容器的电容C与没有液体的电容C0及液面高度的关系式，变换器的灵敏度。2020年1月7日394图.电容式液位变换器原理图5.认真领会掌握普通交流电桥、变压器电桥及运算放大器式测量电路。