第4章常用传感器原理及应用4-6

机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用§4电容式传感器一.电容式传感器(Capacitance-typesensor)电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，通过电容式传感器元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经转换电路转换为电压、电流或频率以达到检测目的的一种传感器。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行检测。二.电容式传感器的检测对象其主要检测对象为：位移、振动、角度、加速度等机械量及压力、差压、液面、料面、成份含量等热工参量。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用电容式传感器的主要优点为：1.结构简单、适应性强。2.需要的动作能量低，动态响应好。3.灵敏度高。4.动态响应快。5.适应性强。6.自热效应小，温度稳定性好。7.可实现非接触测量、具有平均效应。电容式传感器的主要缺点有如下三点：1.寄生电容的影响较大。2.输出特性具有非线性。3.小功率、高阻抗。三.电容式传感器的主要优缺点机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用四.电容式传感器的工作原理电容式传感器的基本工作原理如图4.4.1所示。平板式电容器由两个金属极板构成。在两极板间加上电压，电极上就贮存有电荷，电容器即为一种贮存电场能的元件。设两极板相互覆盖的有效面积为S(m2)，两极板间距离为δ(m)，极板间介质的介电常数与相对介电常数分别为ε(F·m-1)与εr，真空介电常数为ε0(8.85×10-12F·m-1)，在忽略电容器的边缘效应时，平板电容器的电容量为C=εS/δ=εrε0S/δ=f(δ,S,ε)(4.4.1)图4.4.1平板电容器机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用由此可见，电容量是δ、S、ε的三元函数，当δ、S、ε某一个或几个参数发生变化，都会引起电容量C的变化，从而使输出电压或电流发生变化。实际制作电容式传感器时，常使δ、S、ε三个参数中的两个保持不变，仅改变其中的一个参数，且使变化的参数与被测量之间存在一定的函数关系，那么被测量的变化就可直接由电容量的变化反映出来。这就是电容式传感器的基本工作原理。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用五.电容式传感器的分类及结构根据上述基本工作原理一般可制成三种类型。1.变极距(变间隙)式电容传感器。2.变面积式电容传感器。3.变介电常数式电容传感器。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用(c)S型、角位移、单组式(d)S型、角位移、差动式机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用图4.4.2电容式传感器常见结构形式(e)ε型机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用六.电容式传感器的静态特性1.变极距(变间隙)式电容传感器由式(4.4.1)可知，当极距(极板间距)因被测量变化而引起改变量Δδ时，电容变化量为Δδδδδεδδε0CSSC(4.4.2)其中C0为极距为时的初始电容量。由(4.4.2)可知，变极距型电容式传感器存在着原理上的非线性误差，实际应用时，如同电感式传感器一样，常利用差动式结构来改善其非线性误差。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用2.变面积式电容传感器dxCdbadxabCCCx00ε)(εdbxCKε对于变面积式平板形结构电容传感器，假设忽略极距的影响及边缘效应，则如图4.4.3(a)所示线位移平板式电容传感器两极板相对位移量为Δx时，电容变化量与灵敏度分别为可见其具有原理上的线性性，且其灵敏度为常数。如图4.4.3(b)所示线位移平板式电容传感器两圆柱极板相对位移量为Δx时，电容变化量为具有良好的线性性的形式(4.4.3)xxCrrxrrxxCCCx012120)/ln(2π)/ln()(2π(4.4.4)机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用图4.4.3变面积式线位移电容传感器结构原理图机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用3.变介电常数式电容传感器00δ/ε)(δ/εδ)/ε(δxbaxaC如图4.4.4所示，设被测介质(ε)进入两极板之间的距离为Δx，其厚度为Δδ，忽略边缘效应，其输出特性为(4.4.5)图4.4.4变介电常数式平板线位移电容传感器结构原理图机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用七.电容式传感器的主要性能1.静态灵敏度电容式传感器的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。(同学自己推导三种不同类型的电容式传感器的静态灵敏度)2.非线性变面积式与变介电常数式(除厚度测量外)原理上具有很好的线性。由(4.4.2)式知，变极距(变间隙)式电容传感器具有原理上的非线性。实际应用时，如同电感式传感器一样，常利用差动式结构来改善其非线性误差。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用采用差动式改善非线性特性])δδ()δδ(δδ1[δδΔδ/δ11δδ32002,1CCC设变极距式电容传感器工作范围足够小(0.01μm至零点几mm)，即Δδ/δ1，采用差动式结构，两电容极距变化为±Δδ时，则由(4.4.2)式，两电容变化量按Tarlor展开式展开，得])δδ()δδ(1[δδ2420CC取两电容之差为传感器输出量ΔC，则(4.4.6)(4.4.7)(4.4.7)式与(4.4.6)式相比，差动式非线性得到了极大地改善，其灵敏度也提高了1倍。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用八.电容式传感器的应用电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01μm至数百μm、精度可达0.01μm、分辨力可达0.001μm。变面积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨力为0.01~0.001μm。电容式角度和角位移传感器的动态范围为0.1″至几十度，分辨力约为0.1″，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。电容式测振幅传感器可测峰值为0~50μm、频率为10~2kHz，灵敏度高于0.01μm，非线性误差小于0.05μm。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用电容式传感器还可用来测量压力、压差、液位、料面、成分含量(如油、粮食中的含水量)、非金属材料的涂层、油膜等的厚度，测量电介质的湿度、密度、厚度等等，在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。差动电容式压力传感器测量范围可达50MPa，精度为±0.25%~±0.5%。电容式传感器厚度测量范围为几百微米，分辨力可达0.01urn。电容式接近开关不仅能检测金属，而且能检测塑料、木材、纸、液体等其他电介质，但目前还不能达到超小型，其动作距离约为10~20mm。静电电容式电平开关是广泛用于检测储存在油罐、料斗等容器中各种物体位置的一种成熟产品。当电容式传感器测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采用单边式变极距型，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。这类传感器属非接触测量，动态范围比较小，约为十分之几毫米左右，测量精度超过0.1μm，分辨力为0.01~0.001μm。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，通过电容式传感器元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经转换电路转换为电压、电流或频率以达到检测目的的一种传感器。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行检测。其主要检测对象为：位移、振动、角度、加速度等机械量及压力、差压、液面、料面、成份含量等热工参量。本节小结机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用§5压电式传感器一.概述1.压电式传感器压电式传感器(Piezoelectrictransducer)是以某些晶体(电介质)在外力作用下，在其表面产生电荷的“压电效应”为转换原理的传感器，是一种典型的有源传感器(发电型传感器)。在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。2.压电式传感器的测量对象压电式传感元件是力敏感元件，所以压电式传感器能测量最终能变换为力的各种物理量。如：力、应压力、加速度等，因而其应用较为广泛。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用3.压电式传感器的主要优缺点优点：压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、工作可靠、结构简单、体积小、重量轻等优点。缺点：压电式传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能为无穷大，在某种意义上讲不适合于静态测量。4.压电式传感器发展现状压电传感器是应用较多的一种传感器，近年来，由于电子技术的迅速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的应用更为方便。因此在工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域中，压电传感器的获得了广泛的应用。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用二.压电传感器的工作原理压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。这些物质在沿一定方向受到力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应(Piezoelectriceffect)。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等。机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用对某一具有压电性的电介质，当沿着一定的方向对其施力而使其变形时，其内部就会产生极化现象，同时其某些表面上将产生等量而异号的电荷(电荷量与作用力大小成正比)；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称为(正)压电效应。研究表明，正压电效应的产生是由于介质在外力作用下产生变形，而由变形产生电荷。因此，变形(S)是外力(F)与电荷(Q)之间的传递变量，外力所作机械功通过正压电效应转换成电场能，从而实现能量的传递。1.(正)压电效应机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用压电介质除具有正压电效应外，还具有逆压电效应。在压电介质的极化方向上施加电场时，压电介质的某些方向会产生正比于电场的变形，这种现象称为逆压电效应，或电致伸缩效应。上述两种效应可简单表述为：正压电效应：F→S→Q(E)逆压电效应：E→S→F2.逆压电效应机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用1.石英晶体及其晶轴石英晶体是最常用的压电晶体之一，其化学式为SiO2。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。其天然结构石英晶体的理想外形图为一规则的六角棱柱体，如图4.5.1(a)所示。在晶体学中，可将石英晶体以三根相互垂直的轴来表示，这三根轴统称为晶轴，如图4.5.1(b)所示，其规定为：Z轴：又称为光轴，它与晶体的纵轴线方向一致。X轴：又称为电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴。Y轴：又称为机械轴，它垂直于六面体相对的两个棱面(与Z轴、X轴同时垂直)。三.石英晶体的压电效应机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用图4.5.1石英晶体机电工程学院SunChuan68215第4章常用传感器原理及应用2.石英晶体的内部结构石英晶体的化学式为SiO2，在每一个晶体单元中，它有三个硅离子和六个氧离子，后者是成对的，硅离子有4个正电荷，氧离子有两个负电荷。一个硅离子和两个氧离子交替排列，其在Z平面上的投影如图4.5.2所示。图4.5.2硅、氧离子在Z平面上