第四章 电容式传感器..

第四章电容式传感器电容式传感器：利用电容器的原理，将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化。电容式传感器应用：已在位移、压力、厚度、物位、湿度、振动、转速和流量及成分分析的测量等方面得到了广泛的应用。电容式传感器的特点：精度(0.01%,250mm量程的位移传感器精度可达5微米)和稳定性也日益提高，电容式传感器作为频响宽、应用广和非接触测量的一种传感器，很有发展前途。第一节电容式传感器的工作原理及特性dSdSCr0金属平板忽略边缘效应时,其电容量为0为真空介电常数，0=8.85x10-12,F/m;r为介质的相对介电常数，r=/0;保持三个参数中的两个不变,则电容就是其中一个参数的单值函数.根据发生变化的参数的不同，电容式传感器相应地分为以下三种类型。1.角位移式当时，初始电容量为0dSC当时，电容量就变为0)1(dSdSC根据动极板相对定极板的移动情况，变面积型电容传感器又分为角位移式和直线位移式两种。一、变面积型由式可见，电容量C与角位移呈线性关系。2.直线位移式)1()1()(0axCaxdbadxabCdbaCxaxCxCCxCK000)(0当被测量的变化引起动极板移动距离时，则S发生变化，C也就改变了。可见，电容量C与直线位移也呈线性关系，其测量的灵敏度为显然，减小两极板间的距离d，增大极板的宽度b可提高传感器的灵敏度。但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b受到传感器体积的限制。需要说明的是，位移不能太大，否则边缘效应会使传感器的特性产生非线性变化。变面积型电容传感器还可以做成其他多种形式，常用来检测位移等参数。dbxCK二、变间隙型1.基本结构设动极板在初始位置时与定极板的间距为d0。此时的初始电容量为00dSC当被测量的变化引起间距减小了Δd时，电容量就变为000000111ddCdddSddSCC00001ddddddCC10dd当时：00ddCC2000dSdCdCK由上式可见，增大S和减小d0均可提高传感器的灵敏度，但受到传感器体积和击穿电压的限制。此外，对于同样大小的Δd，d0越小则越大，由此造成的非线性误差也越大。0dd00001ddddddCC10dd只有当时，才能近似为线性关系当传感器被近似看做线性时，其灵敏度为2.差动结构dd0dd0其电容分别为)1()(111102020000001ddddCddCdddSddSC)1()(111102020000002ddddCddCdddSddSC则当时，电容总的相对变化量为0dd002102ddCCCCC由此可求出传感器的灵敏度为200022dSdCdCKdd0dd02000dSdCdCK200022dSdCdCK差动结构可使传感器的灵敏度提高一倍。而且其线性误差也可减小一个数量级。所以在实际应用中大都采用差动式结构.基本结构差动结构三、变介电常数型变介电常数型电容传感器常用来检测容器中液面的高度，或片状材料的厚度等。下面通过两种应用，介绍此类电容传感器的原理。1.电容式液面计21CCCrRxhCln)(21rRxCxln22电容器总电容:介质为气体部分的电容:介质为液体部分的电容:h为电极高度;R为外电极的内半径;r为内电极的外半径.bxaxrRrRhrRxxhCxxln)(2ln2ln)(2rRhaln2rRbxln)(2液面计的输出电容C与液面高度成线性关系。x2.电容式测厚仪该电容器的总电容C等于两种介质分别组成的两个电容C1与C2的串联，即xdSxdxSxSxdSxSxdSCCCCCxxxxxxxx)(2121第二节电容式传感器应用中存在的问题及其改进措施一、等效电路C—传感器电容；L—电容器的引线电感；电容传感器在高温、高湿及高频激励条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应的影响时其等效电路为RP—低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗；RS—高温、高湿、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；CP—寄生电容2222)1(1)(1LCCLCCCCLCCCe－LCKdCCKceee21/dCCKc/电容传感器的等效灵敏系数为在较低频率下使用时，L和RS可忽略，只考虑RP对传感器的分路作用；当使用频率增高时，尤其要考虑L的影响，此时传感器的等效电容为eCCjLjCje11LCCCe21电容传感器的灵敏度即传感器的等效灵敏度Ke与传感器的灵敏度、电源角频率、电容引线电感及电容器电容都有关，因此每当改变激励频率或更换传输电缆时，都必须对测量系统重新进行标定。LCKdCCKceee21/二、边缘效应理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板相互覆盖的空间，但实际上，在极板的边缘附近，电气分布是不均匀的，这种现象叫电场的边缘效应。这种电场的边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，其结果使传感器的灵敏度下降和非线性增加1、增大初始电容量；即增大极板面积和减小极板间距。减小边缘效应的方法：2、加装等位环。G—等位环。A和G是一同心的环面，两者的间隙越小越好，使用时A和G始终等电位，且在电气上相互绝缘；另外，为了保持A和G的等电位，一般尽量使二者同为地电位，但有时难以实现，这时就必须加入适当的电子线路。加装等位环的电容器有效地抑制了边缘效应，但也增加了加工工艺难度。三、寄生电容的影响寄生电容:任何两个导体之间均可构成电容联系。电容式传感器除了极板之间的电容外，极板还可能与周围物体，包括仪器中的各种元件甚至人体之间产生电容联系。这种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电容可能导致传感的电容量发生明显的变化，而且寄生电容极不稳定，还会导致传感器特性的不稳定,对传感器产生严重的干扰.此外，屏蔽线本身的电容量较大，且由于放置位置和形状不同而有较大变化，也会产生不同的寄生电容，造成传感器的灵敏度下降和特性不稳定。目前解决这一问题的有效方法是采用驱动电缆技术，也称双层屏弊等电位传输技术。为了克服上述寄生电容的影响，必须对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套须同样良好接地。驱动电缆技术(双层屏蔽等电位传输技术)基本思路:将电极引出线进行内外双层屏蔽,使内层屏蔽与引出线的电位相同,从而消除了引出线对内层屏蔽的容性漏电（寄生电容）,而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用，防止外电场干扰。驱动电缆技术的线路复杂,要求高,但传感器的电容量变化为1PF时仍能正常工作.“驱动电缆”:由于屏蔽电缆上有随传感器输出信号变化而变化的电压。四、温度的影响1.温度对结构尺寸的影响电容传感器由于极板间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感.在传感器各零件材料线膨胀系数不匹配的情况下,温度变化将导致极间隙有较大的相对变化,从而产生很大的温度误差.环境温度的变化将改变电容传感器的输出与被测输入量的单值函数关系，从而产生温度干扰误差（简称温度误差）。这种影响主要有以下两个方面：定极板厚度为g0绝缘件厚度为b0动极板至绝缘件底部的壳体长为a0各零件材料的线膨胀系数分别为abgaaa、、dddgbadt00000由此引起的温度误差et为tagabaadtagabaadddegbagbattt)()(00000000tt0当由此可见，消除温度误差的条件为0000gbaagabaa此外，在制造电容传感器时，一般要选用温度膨胀系数小，几何尺寸稳定的材料。000、bg、aaadCabg、可见,在设计电容传感器时,要尽量的满足补偿条件。例如电极的支架选用陶瓷材料要比塑料或有机玻璃好；电极材料以选用铁镍合金为好；近年来采用在陶瓷或石英上喷镀一层金属薄膜来代替电极，效果更好。减小温度误差的另一常用措施是采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。2.温度对介质的影响例如，煤油的介电常数的温度系数可达0.07%/0C；若环境温度变化±500C，则将带来7%的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零，而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。设:Z1＝Z2，则当差动电容中的动极板移动Δd时，交流电桥的输出电压为:002CCUUAC式中，C0为C1＝C2时的电容，ΔC为差动电容变化量。第三节测量电路一、电桥型电路交流电桥平衡时：211221ddCCZZ用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源去激励，电桥输出电压经放大，相敏整流后得到直流的输出信号。二、双T电桥电路U1高频对称方波电源++则RL上的平均电流为零，RL上输出电压为0.在电源的正半周时：在电源的负半周时：若在下一个电源的正半周时：2121RRCC)()()2(])()(1[21120210CCfURRRRRRRdttitiTRIULLLTLLL)(2110CCfMUU21CC21RRR该电路输出电压高，输出阻抗小，它的输出电流可以直接驱动毫安表或微安表。测量的非线性误差很小，适用于高速机械运动量的测量。可用提高激励方波频率的办法提高传感器的频率响应。若则经RL的平均电压为：iiiCjIUxxCjIU0xiIIxiiCCUU0dSCxdSCUUii0由虚短：由虚断：由上三式得：三、运算放大器电路理想运算放大器：虚短和虚断CX为电容传感器由此可知输出电压与动极板位移呈线性关系。所以此电路从原理上解决了变极距式的非线性问题。但上述结论是在理想的条件下得到的，实际的输出仍有一定的非线性。但当放大器的放大倍数及输入阻抗足够大时，误差很小。dSCUUii0此外，还与有关。因此还要求必须稳定，必须采用稳压措施。SCUii、、、0UiUiCA1、A2—比较器；R1、R2—充电电阻；R1=R2UF—参考电压；C1、C2—传感器差动电容四、脉宽调制型测量电路初始状态时：C1=C2U0=0时，当2121CCCCA、B两点的平均电压不再相等，此时直流输出电压就等于A、B两点的平均电压之差，经推导可得121210UCCCCU脉宽调制型测量电路具有线性输出的特性。这是脉宽调制型测量电路的重要优点。此外，该电路的输出信号一般为100kHZ~1MHZ的高频矩形波，只需简单地经由低通滤波器就可获得直流输出。1021,UCCUCCCCCC121210UCCCCU五、调频型测量电路把电容式传感器接入高频振荡器的振荡回路中，当传感器的输出电容量在被测量作用下发生变化时，振荡器频率亦相应地变化，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频型。调频型测量电路的主要优点是抗外来干扰能力强，特性稳定，且能取得较高的直流输出信号。在实现了电容到频率的转换后，再用鉴频器把频率的变化转换为幅度的变化，经放大后输出，进行显示和记录；也可将频率信号直接转换成数字输出，用以判断被测量的大小。第四节电容传感器应用举例电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(可测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度和加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度及电介质的湿度、密度和厚度等。在自动检测和控制系统中也常被用作位置信号发生器。1.差动式电容压力传感器特点：由两个相同的可变