04电容式传感器.

传感器第四章电容式传感器1第四章电容式传感器优点：结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。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。电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。2电容元件非电量电容量变化（1）指纹识别比如：（2）电容式键盘利用极距式电容传感器以实现信号转换原理:是依靠每个按键上的两片铜箔，按键按下来后，铜箔之间的距离发生变化，电容的容量也就发生变化。特点:占用厚度特小，就是按下去再弹回来的位差非常小，广泛应用于超薄键盘中。可以根据外观来判断，按键键帽比较低的，按下去再弹回来的位差非常小，键盘厚度比较薄的都是电容式键盘。（3）电容传声器驻极体电容传声器大膜片电容传声器传声器（Microphone）即话筒、麦克风，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。一、工作原理用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为S—极板相对覆盖面积；δ—极板间距离；εr—相对介电常数；ε0—真空介电常数，ε0＝8.85pF/m；ε—电容极板间介质的介电常数。SδεSSCr0第一节工作原理与类型7+-理想平板电容器的电场线是直线的，但实际情况下，在靠近边缘地方的会变弯，越靠边就越弯得厉害。到边缘时弯的最厉害，这种弯曲的现象叫做边缘效应。公式分析：δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C。δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。9SSCr0因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。变间隙型变面积型变介质型电容式传感器二、类型常用电容器的结构形式。图(a)、(b)为变极距型；图(c)、(d)、(f)、(g)、(h)、(i)为变面积型；图(j)、(k)则为变介质型。C-特性曲线1、变极距型电容传感器图中极板1固定不动，极板2为可动电极(动片)，当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化，其电容变化量ΔC为δ2变极距型电容传感器1CC0C0—极距为δ时的初始电容量。0CSSSC12讨论：该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、常常作成差动式结构改善其非线性。130CCdddDD=-D2、变面积型电容传感器变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2、r1—圆筒内半径和内圆柱外半径。)/ln(212rrlC142、变面积型电容传感器当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为llCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。153、变介电常数型电容传感器变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。163、变介电常数型电容传感器若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被测厚度的关系为δx厚度传感器C1C2C3C//)(0xxabC17a、b:固定极板长度和宽度；δ:两固定极板间的距离；δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为C1C2C3CC400/)(//)(xxxxlabblCa、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度；δ:两固定极板间的距离；δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。平板形lx18若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为液位传感器hC1CC2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。注意事项：若电极之间的被测介质导电，电极表面应涂盖绝缘层（如0.1mm的聚四氟乙烯等）。2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK19电容式传感器的转换电路，就是将电容式传感器看成一个电容，并转换成电压或其他电量的电路。一、电容式传感器等效电路实际上，电容式传感器并不是一个纯电容，其完整等效电路如图。第二节转换电路20•L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感：•r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；•C0为传感器本身的电容；•Cp为总寄生电容，包括引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的各种寄生电容；•Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。第二节转换电路21一、电容式传感器等效电路CeRe讨论：在低频时，传感器电容的阻抗非常大，因此L和r的影响可以忽略。其等效电路可简化，其中等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻Re≈Rg22第二节转换电路LreCe在高频时，传感器电容的阻抗变小，因此L和r的影响不可忽略，而漏电的影响可忽略。其等效电路简化。其中Ce=C0+Cp，而re≈r。23电容式传感器的等效电路存在一谐振频率，通常为几十MHz。供电电源频率必须低于该谐振频率，一般为其1/3～1/2，传感器才能正常工作。第二节转换电路将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂。另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。二、电桥电路24第二节转换电路其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。二、电桥电路25在电路中，为表示元件间耦合的松紧程度，把两电感元件的实际互感（绝对值）与其最大的极限值之比定义为耦合系数。121201LLMkkLLM（）是互感系数，是初级和次级线圈电感第二节转换电路而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。二、电桥电路26第二节转换电路电桥电路的特点：①采用高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。27第二节转换电路三、二极管双T形电路电路原理如图。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。28第二节转换电路三、二极管双T形电路若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路。其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。可得到电容C2的电流iC2的表达式。29在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2T/2时,电流iC2的平均值IC2可以写成下式：22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC301121CURRRRTIELLC故在负载RL上产生的电压平均值为212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL31同理，负半周时电容C1的平均电流:即：输出电压是两个电容之差的函数。电路特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。32四、差动脉冲调宽电路又称差动脉宽(脉冲宽度)调制电路。利用对传感器电容的充放电，使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。再通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。33四、差动脉冲调宽电路图为差动脉冲调宽电路原理图，图中C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。34运算放大器有两个模拟输入端，分别为同相输入端和反相输入端。当同相输入端电压低于反相输入端电压时，比较器输出数字低电平。反之，比较器输出数字高电平。35设接通电源时，RS触发器的Q为高电平，Q非为低电平。Q控制开关S1和S2向下接通，使得C2放电，C1充电。同时Q非控制开关S3向上接通，使得输出为+U。36当C1充电到其电位大于参考电压Ur时，比较器A2输出高电平，使得RS触发器翻转。37RS触发器翻转后，Q变成低电平，使得开关S1和S2往上接通，C2开始充电，C1开始放电。同时，Q非变成高电平，使得开关S3向下接通，输出变成-U。周而复始，则输出电压为宽度后C1和C2调制的矩形脉冲。38输出电压U。经低通滤波后，得到直流电压为UTTTTUTTTUTTTU21212122110T1、T2—分别为C1和C2的充电时间；U—输出电压的正反向幅值。39C1、C2的充电时间T1、T2为rLLLUUUCRTln11rLLLUUUCRTln22则UCCCCU21210因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。40UTTTTUTTTUTTTU21212122110设电容C1和C2的极间距离和面积分别为δ1、δ2和S1、S2，将平板电容公式代入上式，对差动式变极距型和变面积型电容式传感器可得可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性。这是十分可贵的性质。另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，其电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。USSSSUUU1212021120；41五、运算放大器式电路将电容的变化转换为电压的变化。其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图由于运算放大器式电路原理图()/xCSSuCu0420xCUUC=-0HxHIUjCIUjCIIwwìï=ïïïï=íïïï=-ïïî讨论：负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=∞，输入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。43SuCu0六、调频电路电容传感器为振荡谐振回路的一部分；输入量变化，传感器电容变化，振荡器振荡频率变化。频率变化由鉴频器转换为振幅变化，放大输出。4445第三节主要性能、特点和设计要点一、主要性能（静态灵敏度和非线性）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kg为/110CCKg43201CKg46/1因为泰勒展开可见其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δ可以提高灵敏度。但δ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103kV/mm）或塑料膜来改善电容器耐压性能。47