12电容式传感器

汽车气囊的保护作用汽车气囊对驾驶员的保护作用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊加速度传感器油量表收音机调台结构电容式传感器（Capacitance-typeSensor）本节教学目标了解电容传感器的特点掌握电容传感器的工作原理掌握电容传感器的测量电路了解电容传感器的应用一、特点结构简单；可获得较大的相对变化量；能在恶劣环境条件下工作；本身发热影响小，所需激励源功率小；动态响应快；dSCd式中：ε—极板间介质的介电常数；S—两平行板所覆盖的面积；d—两平行板之间的距离；C—电容量，单位为F；带电极板，其电容与面积、介电常数成正比，与极板间距成反比。二、工作原理1208.8510/Fm为相对介电常数r0r为真空的介电常数00rSSCdd2）1）3）电容传感器可分为：变极距型、变面积型和变介质型三种。1.变极距型a）初始电容值00SCdd△db)电容受外力作用，极距减小△d电容器容量变为：10CCC000001(1)1SSCdddddddc）极距增加△d电容器容量变为：10001()1CCCCdd极距减小，电容相对变化量：0001()1CddCdd0001()1CddCdd极距增加，电容相对变化量：若考虑△d/d01时则：00CdCd灵敏度：0200CCSKddd12差分变极距电容传感器～～初始条件：d1=d2=d0s1=s2=sc1=c2=c0△c=c1-c2=0当动板上移△d后：c1：d1=d0-△dc1=c0+△c1c2：d2=d0+△dc2=c0-△c2△c=c1-c2=2c0△d/d0灵敏度：202CSKdd可见变间隙（极距）式，一般用来测量微小的线位移(小至0.01微米～零点几毫米)，可以说当前微位移传感器大都采用电容传感器，并且它分辨力极高、无接触、反作用力。应用2.变面积型分为平板型直线位移式、同心圆筒型和角位移型。结论：1.变面积式传感器输出特性是线性的；2.灵敏度是常数应用变极板面积型电容传感器还可以将极板加工为其它形状，以实现其它量的测量，但其原理、方法都是相同的，可见变极板面积型一般可用来测角位移(自一角秒至几十度)、较大线位移、尺寸等参量。3、变介质型ABCCC长为l，宽为b，间距为d1＋d2初始极板内介质介电常数为ε1，当某厚度为d2的介质ε2从左往右进入极板，进入的距离为a，则电容量发生改变。12100122112()(,)iiCbaCbafddddd广泛应用于测量介电材料的厚度、物位、固体介质的湿度。电容式油量表示意图电容式液位计dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21dDhcln)(210液位计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。设定按钮电容式液位计三、测量电路电桥电路电容电桥放大器相敏整流滤波器输出移相器振荡器CCXiU1Z2ZOUCX2CX1iU1Z2ZOU二级管双T型网络～·UiRLC2C1D1D2R2R1BAi1i2若传感器输入不为零，其输出电压在一个周期内平均值为：122(2)()()LoLiLRRRuRufCCRR调频电路调频振荡器限幅器鉴频器放大器TTL电平计算机ff0UUxC将电容式传感器作为LC振荡电路的一部分，或作为晶体振荡器中的石英晶体的负载电容。当电容传感器工作时，电容Cx发生变化，就使振荡器频率发生f产生相应的变化。由于振荡器频率受电容式传感器电容的调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路。抗外来干扰能力强；特性稳定；能取得高电平的直流信号（伏特数量级）；因为是频率输出，易于同数字仪器和计算机（数字定时器）接口。特点运算放大器电路•输出电压00ixCudusiu0CxC0u解决了单个变极板距离式电容传感器的非线性问题＋－＋－电容器不仅在两相对极板间存在电容，在极板两侧也会有电容的存在。边缘效应补充：＋－1）在允许的情况下，可应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间距；2）采用保护环（等位环）保护环电位和有效的测量电容极板始终保持一致，在同一平面，这样二者之间才不会又产生电容。解决方法传感器除有极板间电容外，极板与周围物体（各种元件甚至人体）也产生电容联系，它与传感器电容是相并联的，这种电容称为寄生电容。2、寄生与分布电容的影响原因1）静电屏蔽a）方法采用静电屏蔽，即将电容极板放在金属壳体，并将壳体与大地连接，同时电极引出线（芯线）也采用屏蔽线，屏蔽线外套要求接地良好。b）特点采用静电屏蔽，仍有两个问题：①屏蔽线本身分布电容量较大(1～2m导线可达800pF)，分布电容与传感器并联，使电容相对变化量大为降低，导致传感器灵敏度显著下降；②电缆本身的电容由于放置位置和形状不同而有较大的改变，这将造成传感器特性不稳定。解决方法可见要想实现精确测量，必须克服屏蔽线本身的分布电容问题，屏蔽线分布电容又是怎样产生的的呢？4.2解决方法2）驱动电缆技术a）方法连接电缆采用双层屏蔽，使内屏蔽与芯线电位相同，二者间就没有分布电容，外屏蔽接地对内屏蔽起屏蔽作用。芯线输入到一个放大倍数严格为1的放大器(1:1放大器)。放大器输出一个与输入完全相同输出电压。将放大器输出端连接在屏蔽电缆的内屏蔽线上，在放大器的作用下，使芯线和内屏蔽线等电位，这样，就消除了引线与内屏蔽之间的电容联系。外屏蔽线接地后，内外屏蔽线之间的电容构成了放大器的的负载，不再与传感器的电容并联。这样，无论电缆的形状、位置如何变化，都不会对传感器的工作产生影响。WayneKerrb）特点实验证明，这种方法可以很好的工作。实现这种技术存在一定难点。传感器交流供电，极板上的电压也是交流电压，因此放大要求输入输出的电压幅值相等、相移为零。另外放大器的输入阻抗是与传感器的电容并联的，这要求放大器最好能由无穷大的输入阻抗和零输入电容。以上两个要求只能近似满足，不可能真正实现。2）驱动电缆技术3）组合式与集成技术a）方法采用超小型大规模集成电路，将全部测量电路组合在传感器壳体内，甚至将传感器与调理等电路集成于同一芯片，构成集成式传感器，从根本上消除电缆的影响。b）特点从根本上解决了寄生和分布电容的影响。但如果传感器工作在恶劣环境下（低温、强辐射等），半导体器件可能无法经受，而必须采用长电缆将电容敏感部分与测量线路分开；成本可能相对较高。a）寄生和分布电容的影响是电容传感器不可避免的一个重要影响特性，对于电容传感器的寄生和分布电容有三种消除方法，每种方法的实现原理、方法、特点以及适用范围都不同，在实际使用时要根据对象、实际情况、要求选择合适的消除方法。b）一个简单原理到成熟实际应用，需要解决许多问题，考虑、消除多方面的影响。C）通过对寄生和分布电容的消除分析，可以了解到，对于一个问题的解决，首先要分析清楚引起问题的原因，再针对原因想对策，最后综合应用其它领域学科的知识解决问题，这也是工程问题解决的方法。3）结论