5电容传感器.

第五章电容传感器本章介绍电容传感器的分类、结构、基本原理及应用，重点介绍FM调频电路。还介绍硅微机械加工技术制作的摆式硅微电容加速度传感器，电容接近开关，以及压力、液位、流量的基本概念，测量方法等。第一节电容式传感器的工作原理及结构形式电容传感器以各种类型的电容器作为传感器元件，将被测物理量转换为电容量的变化，再经测量转换电路转换为电压、电流或频率。电容传感器具有如下优点：（1）可获得100%以上的相对变化量。（2）能在恶劣的环境条件下工作。（3）所需的激励源功率小，本身发热问题可不予考虑。（4）动态响应比电感传感器快。电容器在收音机中的应用并联在收音机LC谐振电路的电感两端的电容量越大，所接收到的电台的频率就越低。电容器在收音机中，用于改变谐振频率，从而调整所要接收的电台。第一节电容式传感器的工作原理及结构形式电容传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。当忽略边缘效应时，其电容为式中A——两极板相互遮盖的有效面积（m2）；d——两极板间的距离，也称为极距（m）；ε——两极板间介质的介电常数（F/m）；εr——两极板间介质的相对介电常数；ε0——真空介电常数,ε0=8.8510-12(F/m)0rAACdd电容器的边缘效应理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只有中间区域是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害，这种电场线弯曲现象就是边缘效应。在基板面积较小时，将引起测量误差。三种类型的电容传感器在A、d、ε三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容C改变。也就是说，电容C是A、d、ε的函数，这就是电容传感器的基本工作原理。固定三个参量中的两个，可以制作成以下三种类型的电容传感器：变面积式电容传感器、变极距式电容传感器、变介电常数式电容传感器。一、变面积式电容传感器CCCd0Axxd01－定极板2－动极板3－外圆筒4－内圆筒5－导轨6－测杆7－被测物8—水平基准变面积式电容传感器简析图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。平行板形变面积式电容传感器的容量变化设两极板原来的遮盖长度为a0，极板宽度为b，极距固定为d0，当动极板随被测物体向左移动x后，两极板的遮盖面积A将减小，电容也随之减小，电容Cx为式中C0——初始电容值在变面积电容传感器中，电容Cx与直线位移x成正比。0000(a)1xbxxCCda000abCd角位移式的结构1-动极板2-定极板极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。保持极距d0不变C角位移A)πθ(1C)πθ(1dεAC000θ圆筒形直线位移传感器外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。设内圆筒的外半径、外圆筒的内半径分别为R和r，两者原来的遮盖长度为h0，电容量与位移成正比：00021ln/xhxxCCRrhCxAA变面积式电容传感器的特性总结变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。CAA1-实际特性2-理论特性二、变极距式电容传感器当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离d，从而使电容量发生变化。实际使用时，总是使初始极距d0尽量小些，以提高灵敏度，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。变极距式电容传感器的特性曲线从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使d0小一些为好，但行程变小（动静极板接触）。a）结构示意图b）电容量与极板距离的关系1—定极板2—动极板3－弹性膜片变极距式电容传感器的特性及灵敏度设初始极距为d0，当动极板向上位移时，极板间距减小了x值后，其电容变大。设，则有电容Cx与位移x不是线性关系，其灵敏度Kx不为常数：差动式电容传感器a）差动变极距式b）差动变面积式1－动极板2－定极板差动电容传感器的灵敏度提高近一倍，线性也得到改善。外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消。电容传感器的非线性误差还可以进一步用计算机来计算修正。差动式电容传感器特性曲线1-上面的电容特性2-下面的电容特性3-差动特性线性好，灵敏度高A1A2C1C21-上、下外电极引线2-接地电极三、变介电常数式因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。几种介质的相对介电常数变介电常数式电容传感器当某种被测介质处于两极板间时，介质的厚度δ越大，电容Cδ也就越大。Cδ等效于空气所引起的电容C1和被测介质所引起的电容C2的并联式中C1——空气介质引起的等效电容；C2——被测介质引起的等效电容；δ——介质的厚度；d——极距00012111/1//1/1/rrACAACCdd磁粉制动器励磁信号电动机张力信号张力传感器张力传感器信号处理器厚度信号绝缘薄膜张力及厚度测量系统上下极板变介电常数式电容传感器的用途不同介质对变介电常数电容器的影响很大。当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变时，该电容器可作为相对介电常数εr的测试仪器。又如，当空气湿度变化，介质吸入潮气（εr水=80）时，电容将发生较大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感器。反之，若εr不变，则可作为检测介质厚度的传感器。电容式液位计(可以理解为变面积或变介电原理)a)同轴内外金属管式b)金属管外套聚四氟乙烯套管式c)带底座的电容液位传感器的结构1－内圆筒2－外圆筒3－被测绝缘液体4－被测导电液体5－聚四氟乙烯套管6－顶盖7－绝缘底座8－信号传输屏蔽电缆电容Ch与液面高度h(从管状电极底部算起)的关系式为式中h1:电容器极板高度；r：内圆管状电极的外半径；R：外圆管状电极的内半径；h：不考虑安装高度时的液位;ε0：真空介电常数（空气的介电常数与之相近）；εr1：被测液体的相对介电常数；ε1：被测液体的介电常数；ε1=εr1ε0。101101001122ln/ln/2221ln/ln/ln/hrhhhCCCRrRrhhhhRrRrRr空液（5-11）1.变压器电桥电路电容式传感器接入变压器电桥测量电路如图所示，它可分为单臂接法和差动接法两种。（a）单臂接法（b）差动接法第二节电容式传感器的测量转换电路常见的有变压器桥式电路、双T电桥电路、脉冲宽度调制电路、FM调频电路等。（1）单臂接法为单臂接法的变压器桥式测量电路，高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，电容构成电桥四个臂，其中为电容传感器。当传感器未工作时，交流电桥处于平衡状态，有：此时，电桥输出电压。当改变时，，电桥有输出电压，从而可测得电容的变化值。xC00UxC00U（2）差动接法变压器电桥测量电路一般采用差动接法，。以差动形式接入相邻两个桥臂，另外两个桥臂为次级线圈。在交流电路中，的阻抗分别为：则有，故，当输出为开路时，电桥空载输出电压为21ZZUI2.二极管双T形交流电桥电路Ui是频率为f的高频激励电源(约1MHz)，它提供了幅值对称的方波。VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管,固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容，初始值C1=C2。在Ui为正半周时，VD1导通、VD2截止，于是电容C1快速充电到Ui的幅值，有电流i1流过RL。在随后的负半周期间，VD1截止、VD2导通，于是电容C2快速充电到Ui的幅值,而电容C1放电。有电流i2逆向流过RL。二极管双T形交流电桥电路分析在初始状态，由于C1=C2，所以电流i1=i2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流IL=0。若差动电容传感器的C1≠C2，则i1≠i2。在一个周期内流过RL的平均电流IL就不为零，输出电压Uo在一个周期内平均值为当为常数时，有：输出电压Uo与双T形电桥电路中的电容C1和C2的差值成正比。oLLL120LLi122L1[()()]d(2)()()TURIRitittTRRRRUfCCRRoi12T()UUfMCCKΔC二极管双T形交流电桥电路特点电路的灵敏度KT与激励电源电压幅值Ui以及频率f有关，故对激励电源稳定型要求较高。选取Ui的幅值高于二极管死区电压的10倍以上，可使二极管VD1、VD2工作在线性区域。R1、R2及RL的取值范围为10~100kΩ。可以在RL之后设置低通滤波器，能获得平稳的直流输出电压。双T形电桥电路具有以下特点：①电路较为简单；②差动电容传感器、信号源、负载有一个公共的接地点，不易受干扰；③VD1和VD2工作在伏安特性的线性段，死区电压影响较小；④输出信号为幅值较高的直流电压。3.调频（FM）电路012πfLC电容式传感器的调频电路与电涡流传感器的调频电路有何区别？上式中哪个量是变量？4.脉冲调制电路利用某种方法对半导体开关器件的导通和关断进行控制，在电路的输出端得到一系列按一定规律变化的、幅值相等，宽度不相等的脉冲。脉冲调制电路分析当双稳态触发器的Q端输出为高电平时，A点通过R1对C1充电，F点电位逐渐升高。在Q端为高电平期间，Q端为低电平，电容C2通过低内阻的二极管VD2迅速放电，G点电位被钳制在低电平。当F点电位升高超过参考电压UR时，比较器A1产生一个“置零脉冲”，触发双稳态触发器翻转，A点跳变为低电位，B点跳变为高电位。此时C1经二极管VD1迅速放电，F点被钳制在低电平，而同时B点高电位经R2向C2充电。当G点电位超过UR时，比较器A2产生一个“置1脉冲”，使触发器再次翻转，A点恢复为高电位，B点恢复为低电位。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受C1、C2调制的脉冲波形。当C1C2时，t1t2，经低通滤波器后，获得的输出电压平均值Uo为正值。脉冲调制电路的输出波形a）C1=C2时的波形b）C1C2时的波形第三节电容式传感器的应用电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A和极间介电常数。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。电容式液位限位传感器棒状电极（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。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。但也可以选择输出为高电平的系列。聚四氟乙烯外套液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯电容加速度传感器微电子机械系统（MEMS）技术可以将一块多晶硅加工成多层结构，制作“三明治”摆式硅微电容加速度传感器。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。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，左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。它的核心部分可以小于φ3mm左右，与测量转换电路一起封装在贴片IC封装中。工作电压为2.7～5V，加速度测量范围为几十个g，可输出与加速度成正比的电压。“三明治”摆式硅微电容加速度传感器结构1－加速度测试单元2－信号调理单元3－衬底4－底层多晶硅（下电极）5－多晶硅悬臂梁6－顶层多晶硅（上电极）a）贴片封装外形b）“三明治”多晶硅多层结构c）加速度测试单元的工作原理硅微加工三轴加速度传感器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。技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装