Chapter 3-1 Capacitive sensor

Chapter3CapacitiveSensor(电容传感器）Inthissection,wewilllearnthetheoryandapplicationofcapacitivesensor.Wewillalsolearnhowtousecapacitivesensortomeasurepressure,level(液位),accelerate(加速度），湿度（humidity)andotherparameters.I.Workingtheoryofcapacitivesensor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？0rAACddIdealequationofcapacitivesensor:Workingtheoryofcapacitivesensor改变A、d、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。0rAACdd电容传感器的基本理想公式为1Capacitysensorbasedonvariationofarea(变面积式电容传感器）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。图c是一个角位移式的结构。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。转换原理dAC0)1()1(0CdACx式中Cx——角位移为时的电容量，即被测压力对应的电容量。当无角位移时，两极板面积重合，其电容量为：当有角位移时，则如图所示，1为动极板，2为定极板。当动极板有一个角位移变化时，与定极板的覆盖面积改变，从而改变了两极板之间的电容量。变面积式电容传感器Characteristicofcapacitivesensorbasedonvariableofarea变面积式电容传感器的输出特性是线性的，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。请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线！2Capacitivesensorbasedonvariationofplateseparation(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。Characteristiccurveofcapacitivesensorbasedonvariationofplateseparation(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，应使当d0小些还是大些？a）结构示意图b）电容量与极板距离的关系1—定极板2—动极板变极距电容传感器转换原理（以测压为例）如图所示，1为动极板，2为定极板，3为弹性元件，p为被测压力。当动极板产生x的位移变化时，改变了两极板的间距，从而会引起电容量的变化。电容量C与极板间距d不是线性关系，而是双曲线关系。)1(0dxCxdACx此时Cx与位移x近似线性关系，当d较小时，对于同样x变化所引起的电容变化量C可增大，使传感器的灵敏度提高。当p=0时，动极板的位移x=0，两极板间距为d，电容量为C0，表达式同式(3-4-2)。当p≠0时，动极板会产生位移，使极板间距减小x，则电容量为)1(dxdAxdACx当xd时，可近似为变极距式电容传感器变极距式电容传感器利用弹性元件的形变改变电容极距，以产生于形变相关的电容变化。它具有较高的灵敏度，但是极距d与电容量C之间的函数关系是非线性的，如果采用近似线性化的处理方法，会产生一定的非线性误差。为了进一步提高测量的精度和灵敏度，常采用差动结构来组成传感器。采用差动电容法的好处是灵敏度高、可以减小非线性影响，并且可以减小由于介电常数ε受温度影响引起的不稳定性。差动式电容原理如右图所示。变极距式电容传感器总输出电容为差分电容，即dxdxCC10])()()(1[43201dxdxdxdxdxCCdxdxCC10])()()(1[43202dxdxdxdxdxCC])(2)(21[2)(42211dxdxdxCCCCCC设初始时Cl=C2=C0，当中间的动极板移动x时，一边极距减小，Cl+C；一边极距增大，C2+C。电容C1的容量变化为：电容C2的容量变化为：当x／dl时，可利用泰勒级数将上两式展开可见，式中不含有奇次项，故非线性影响大大减小，而灵敏度却提高了1倍。3.Capacitivesensorbasedonvariableofdielectric(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。表1几种介质的相对介电常数(relativedielectricconstant)思考：在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？II.Measurementcircuitofcapacitivesensor（FrequencyModulationCircuit）调频电路将电容式传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容C发生变化，就使振荡器的频率f产生相应的变化。调频（FM）电路极距极距电容信号的变送处理交流电桥含紧耦合电感臂的交流电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响小，大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前在测量电容中较多采用。下图（A）为两种交流电桥的结构示意图，（B）为电桥测量电路的原理框图。（A）（B）电容信号的变送处理运算放大器式电路运算放大器的放大倍数K非常大，而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。右图是运算放大器式电路原理图。Cx为电容式传感器，C为固定电容，u是交流电源电压，uo是输出信号电压。由运算放大器工作原理可知UCCUxO可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离d成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。如果电容传感器是变面积式或变介电常数式，可交换C和Cx在电路中的位置，仍可使uo与被测参数的函数关系为线性。dACxdAUCUO又因为所以电容信号的变送处理双T交流电桥二极管双T型交流电桥电路原理图如上图所示。UE是高频电源，它提供幅值为Ui的对称方波，D1、D2为特性完全相同的两个二极管，R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时，C1=C2。电路工作原理如下：当UE为正半周时，二极管D1导通、D2截止，于是电容C1充电；在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻Rl，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。在负半周内，D2导通、D1截止，则电容C2充电；在随后出现正半周时，C2通过电阻R2负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。电容信号的变送处理双T交流电桥输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T形网络中的电容C1、C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压只是电容C1和C2的函数。)()()()2()(21E21E2LLL2c1cLL0CCKfUCCTURRRRRRIIRRRRU在负载RL上产生的电压为差动脉冲调宽电路又称脉冲调制电路，如右图所示，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。当C1=C2时，输出电压Uo为等宽矩形波；当C1≠C2时，Uo为不等宽矩形波，其占空比的变化和差动电容的容量变化有关。通过低通滤波器就能得到对应被测电容量变化的直流信号。电容信号的变送处理差动脉宽调制电路设传感器为差动电容传感器，分别为C1和C2。当双稳触发器的输出端A为高电位时，B端为低电位，则其通过R1对C1充电。当充到C点电位高于参比电位Uf时，比较器A1翻转，将使触发器翻转。在翻转前，B点为低电位，电容C2通过二极管VD2迅速放电，D点电位迅速降为零值。一旦双稳触发器翻转后，A点变为低电位，B点变为高电位。这时将在反方向上重复上述过程，即C2充电，C1放电。电容信号的变送处理差动脉宽调制电路对于脉冲宽度调制电路，不论是改变差动平行板电容的极板间距离，还是改变差动电容极板面积，其变化量与输出电压之间均成线性关系。101212112121oUdxUddddUCCCCU12121oUCCCCU101212112121oUAsUAAAAUCCCCU当R1=R2时，可推导出电路中A、B两点之间电压的直流分量Uo为式中U1—双稳触发器的高电平电压。当差动电容传感器为变极距式时当差动电容传感器为变面积式时电容信号的变送处理单片电容传感器信号调理电路CS2001CS2001是集成化的电容传感器专用信号调理电路，可将传感器的电容量直接转换成直流电压信号输出，外围电路简单，使用方便。它采用电荷补偿反馈环的原理，当电容传感器为差动形式且中心值为25pF时，灵敏度最高，达200mV／pF,，对于单电容传感器，只需再加一个相同标称值的固定参比电容，即可构成准差分输入式的电容传感测量电路。CS200l的典型应用电路电容信号的变送处理单片电容传感器信号调理电路CS2001其内部电路框图如上图所示，主要包括加法器、放大器A1、定时器、低通滤波器和放大器A2。各引脚的功能如下：UDD、USSD分别接电源的正、负极。USSA为模拟电路的负电源端，该端与USSD端可一同接到电源的负极USS上。AGND为模拟地。Uo为模拟电压输出端，UM为充电补偿回路的输出端(未经过缓冲器)。CF为带宽调节端，在UM、CF端之间接上电容CF即可调节带宽。OFADJ为失调电压调整端。C1、C2分别接电容式传感器的高端、低端，CM为C1、C2的公共端。III.ApplicationofCapacitiveSensor电容器的容量受三个因素影响，即：极距(plateseparation)x、相对面积(relativearea)A和极间介电常数(dielectric)。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。1、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。聚四氟乙烯外套电容式液位限位传感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型号。液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：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2、硅微加工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2.7～5.25V，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。微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%硅微加工加速度传感器原理1—加速度测试单元2—信号处理电路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）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