第五章电容式传感器

第五章电容式传感器绪论5.1电容式传感器的工作原理及形式5.2电容式传感器的等效电路及特性5.3电容式传感器的信号变换电路5.4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施绪论电容器是电子技术的三大无源元件之一，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。在1920~1925年就有人利用电容传感器成功地测量了压力、位移、重量、温度，但实验室的结果应用到工业上有许多具体困难，因此，电容式传感器在几十年内相对于电阻式发展缓慢，但随着新材料、新工艺、新电路的开发，其中一些缺点逐渐得到克服，应用也越来越广泛。目前，电容传感器已在位移、厚度、物位、温度、振动、转速、流量及成份分析中得到广泛应用。电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器各种电容式传感器基本原理:绪论优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。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。电容传感器转换电路被测量电容值变化电信号非电量C电量5.1电容式传感器的工作原理及形式5.2电容式传感器的等效电路及特性5.3电容式传感器的信号变换电路5.4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施5.1电容式传感器的工作原理及形式5.1.1工作原理5.1.2变极距型电容式传感器5.1.3变极板面积型电容传感器5.1.4变介电常数型电容传感器5.1电容式传感器的工作原理及形式5.1.1工作原理1.平行板电容器+-dA平行板电容器电力线当平行板的间距d远小于平行板的尺寸（半径、长和宽等）时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。：板级间的距离：板级的面积真空中的介电常数常数板级间介质的相对介电板级间介质的介电常数dA/dAdACrr)NmC1085.8(:::21200忽略了边缘效应RrL同心圆筒形电容器2.同心圆筒形电容器：筒长：外筒内半径：内筒外半径真空中的介电常数常数板级间介质的相对介电板级间介质的介电常数LRr/rRLrRLCrr)NmC1085.8(:::ln2ln221200忽略了边缘效应:L(R–r)在上述两种电容器中，决定其容量大小的诸多参数之一在被测对象的作用下发生变化，其电容量C将随之改变，这就是电容式传感器的物理基础。对于平行板电容器可以变化的参数有：ε、A、d等；对于同心圆筒形电容器可以变化的参数有：ε、L、r/R等。5.1电容式传感器的工作原理及形式变间隙型变面积型变介质型电容式传感器dAdACr0dAdACr0dAdACr0三种类型：变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)、(h)变介电常数(ε)型:（i）～(l)5.1.2变极距型电容式传感器（平行板电容器式）00ACd0000011ddCddACCC0001ddddCC2340000001CdddddCddddd00ddCC与初始电容量为极距缩小Δd，则为非线性关系电容变间距(1).swf动极板定极板1d00CdCd可略去高次项，可得由于灵敏度20000dAdCdCnS14采用差动式结构2341000001ddddCCdddd2342000001ddddCCdddd35120000222dddCCCCddd002CdCd2002dASn差动式的灵敏度：差动式电容检测提高了灵敏度，线性特性明显改善。C1电容量增加C2电容量增加总的电容变化量灵敏度与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。电容量C与极距呈非线性关系，减小初始极距将引起非线性误差。初始极距过小容易引起电容器击穿或短路。为此,极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。通常，变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间,极板间距离在25～200μm的范围内,最大位移应小于间距的1/10,故在微位移测量中应用最广。2002dASn灵敏度分析：5.1电容式传感器的工作原理及形式举例:+++AC0+++5.1电容式传感器的工作原理及形式举例:例：电容式差压传感器1—金属膜片（动极）；2—凹玻璃圆盘；3—金属镀层（定极）；4—低压侧导压口；5—输出端子；6—空腔；7—过滤器；8—壳体；9—高压侧导压口21pp0p膜片处于中间位置，与两个定极板距离相等21CC（2）当有差压作用时，感压膜片产生形变。21pp21CC21pp21CC时，（1）当时，时，测量膜片产生位移转变为电容极板上的差动电容变化，由电子线路把差动电容转换成4-20mADC的二线制电流信号.电容压力变送器20例：电容式加速度传感器采用差动式结构，有两个固定极板，中间有一用弹簧片支撑的质量块——可动极板1－绝缘体；2－固定电极；3－质量块；4－弹簧片该传感器频率响应快，量程范围大，精度较高原理：变介质型变极距型；特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等例：电容式厚度传感器5.1电容式传感器的工作原理及形式5.1.3变极板面积型电容传感器电容：相对变化：0000)(bllCCC00llCC灵敏度：0000blClCK0ACd说明变面积式电容传感器的输入输出关系在理论上是线性的.适合于测量较大的直线位移和角位移.角位移传感器模型：两半圆形板极(定板极和动板极)的间距为d,面积均为A，可绕同圆心转动，其夹角为θ。CCCdAdACAAdAC001110011100：板级间的的相对面积为时，。时，C1（ΔC）与θ（角位移）成线性关系。动极板平板电容式角位移传感器定极板5.1电容式传感器的工作原理及形式举例:D0D1La圆柱形电容式线位移传感器同心圆筒形线位移电容式传感器模型：如右图。初始电容C0：：筒长LCLDDLCDDLCrr)/;/(ln.,lnpFcm80121001000成线性关系。与aLaCDDaLCr,ln1201001当内筒上移为a时，内外筒间的电容C1为：定极板5.1电容式传感器的工作原理及形-举例: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5.1电容式传感器的工作原理及形式5.1.4变介电常数型电容传感器变介质片电容器传感器12d1d2LaBCAC模型：如右图，这种电容可以看成是CA、CB两个电容的并联。设板极宽度为b则：1122ddbaCA112ddaLbCB)(11211211221121122ddbaddbLddbaddaLbddbaCCCBA)(1120ddbLCLaddCC212121011C与a成线性关系电介质插入式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d不变，ε改变，如：测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。ε不变，d改变，如：测量纸张、绝缘薄膜等的厚度dε0εrs气隙δ5.1电容式传感器的工作原理及形式--举例圆筒式液位传感器电容液位计.swfCC1C2xxKhArrhrrhC)/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。h2r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK21CCC:**例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当传感器用在该储存灌内时的灵敏度。解：因为pF.lnm.)m/pF.(rrlnhCmin46418402185822120同理，当被测液位高度最大，即hx=h=1.2m时传感器的电容量最大。pFpFrrhrrhrrhrrhCr07.871.246.41)/ln(2)/ln(2)/ln()(2)/ln(212012120120max储存灌的容积为：LmmhdV6.2352.145.0422故传感器的灵敏度为：LpFLpFpFVCCK/19.06.23546.4107.87minmax5.1电容式传感器的工作原理及形式举例电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。料位计电容式接近开关在物位测量控制中的应用:32例：电容式湿敏传感器传感器的感湿元件是高分子薄膜式湿敏电容，当环境相对湿度改变时，高分子薄膜的介电常数发生变化，从而导致电容量改变。1-上电极；2-下电极；3-高分子薄膜；4-玻璃基板33带报警器的家庭使用型电容式湿敏传感器外形5.1电容式传感器的工作原理及形式5.2电容式传感器的等效电路及特性5.3电容式传感器的信号变换电路5.4影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施5.2电容式传感器的等效电路及特性5.2.1电容式传感器的等效电路5.2.2电容式传感器的几个典型特点5.2.3边缘效应及修正5.2电容式传感器的等效电路及特性5.2.1电容式传感器的等效电路RP—并联损耗电阻(板极间的漏电及介质损耗)RS—串联损耗电阻(引线电阻及高频驱肤效应)L—分布电感C—传感器电容传感器的等效电容CePRSRLCeCCjLjCje11。时在，得CCCLCLCCee01122容抗感抗，eeCCCLCCC)(12CLCCCCee21：所以，电容传感器测量必须在同样条件下进行。改变电源频率、更换电缆，必须重新标定。有关。、与还有关不仅与LCCCCee,CLCCCCee21：1.温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸.有利于选择温度系数低的材料，只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸,影响稳定性甚微。2.结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。5.2电容式传感器的等效电路及特性5.2.2电容式传感器的几个典型特点3.动态响应好电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10－5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。4.可以实现非接触测量、具有平均