4、电容式传感器

哈尔滨工业大学第四章电容式传感器第四章电容式传感器电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构的参数之间的关系。§4-1电容式传感器的工作原理工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量实质上相当于具有可变参数的电容器应用范围:位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量哈尔滨工业大学第四章电容式传感器两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，它的电容量为:+++δS当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。0rSSC哈尔滨工业大学分类示意图c)介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++a)极距变化型;+++0rSSCdd第四章电容式传感器哈尔滨工业大学第四章电容式传感器•电容式传感器的具有以下优点是：•1、结构简单，适应性强。易于制造，寿命长，能工作在高温、低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中；•2、动态响应好。固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适用于动态测量。可用较高频率供电。可用于测量高速变化的参数，如用于测量振动、瞬时压力；•3、可以实现非接触测量，具有平均效应；•4、温度稳定性好；哈尔滨工业大学第四章电容式传感器•电容式传感器的主要缺点是：•1、输出阻抗高，负载能力差；电容式传感器电容量一般为几十到几百皮发，甚至只有几个皮发，使传感器的输出阻抗高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108～109欧姆，因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施；•2、寄生电容影响大；电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（1～2m导线可达800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。哈尔滨工业大学δεS动极板定极板若极板间距减小△δ，则电容将增大△C。000(1)()ssCCCCC第四章电容式传感器一、变极板间距型电容传感器定义：静态灵敏度gCk011C哈尔滨工业大学第四章电容式传感器时，展开为级数形式1当时，忽略高次项1上式表明，在条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。0CC2301gCCk哈尔滨工业大学第四章电容式传感器①欲提高灵敏度，应减小间隙δ，但受电容器击穿电压的限制；②非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。③为改善非线性，可以采用差动式。0.02~0.1δδC1C2动极板上移Δδ，则C1增大，C2减小，差动电容器输出：12CCC差动式变极距的电容传感器灵敏度提高一倍，非线性误差减小。213哈尔滨工业大学/1100CCC1当时，第四章电容式传感器...])()(1[320CC显然，输出电容ΔC与被测量Δδ之间的关系是非线性的。只有当Δδ/δ1时，略去各非线性项后，才能得到。当极板间距δ变化±Δδ时，电容量C随之变化。哈尔滨工业大学1当时，略去各非线性项后，得到第四章电容式传感器...])()(1[2420CC显然，输出电容ΔC与被测量Δδ之间的非线性得到了很大改善。灵敏度也提高了一倍。假设可动极板2上移Δδ，则C1增加，C2减小，其和为：02CC哈尔滨工业大学第四章电容式传感器二、变面积型电容传感器baδΔx平面线位移型：设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动△X，则面积S发生变化，电容量也改变。0.().baxbCCx0bCCCx灵敏度：（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数）0()gCCbkxa哈尔滨工业大学第四章电容式传感器平板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，成为实际中最常用的结构。圆柱形线位移型电容器的电容量为：2r1rl212ln()lCrr当两筒相对移动时，电容的变化量为：l021212122()2ln(/)ln(/)ln(/)lllllCCrrrrrrl灵敏度：0gCCkll哈尔滨工业大学可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。①增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；②极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；③△X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学第四章电容式传感器三、变介电常数型电容传感器（主要测量厚度、液位、介值的温度和湿度等）hxh2r12r2ε0ε1类型1：被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。ε1－液体介质介电常数；ε0－空气中介电常数（F/m）；h－电极板总长度（m）；r1－内电极板外径（m）；r2－外电极板内径（m）;hx－液面高度（m可见，输出电容C与液面高度x成线性关系。液面高度010212122()ln()ln()xhhCrrrr＝哈尔滨工业大学类型2：第四章电容式传感器δd面积S气隙0r当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：d—运动介质的厚度可见：①若厚度d保持不变，介电常数εr改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；②若εr不变，可做成测厚传感器0SCdd哈尔滨工业大学第四章电容式传感器§4-2电容式传感器的测量电路测量线路是电容传感器的一个重要组成部分，其主要作用为：①给电极提供一个合适的激励源，以便在形成的电场中实现能量变换；②检测出电场能量的变化，形成可供实用的电信号；③在可能条件下，实现传感器特性的线性化处理与信号变换。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器电容传感器等效电路C0为传感器电容，Rg为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗，r为高频、高温、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；L为电容器及引线电感；CP为寄生电容克服其影响是提高电容传感器实用性能的关键之一。LrCoCpRg完整等效电路Ce=Co+CpRe=Rg低频等效电路Lre=rCe=Co+Cp高频等效电路哈尔滨工业大学第四章电容式传感器一、交流电桥电路VZ1Z2Z3Z4•△V•为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、0.1，输出信号相移有0°、±90°、±180°。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器电路的主要特点：①必须接成差动形式使用；②电桥的交流激励源的幅值和频率要稳定；③要求后续电路输入阻抗无限大。哈尔滨工业大学供电是高频电源，它提供了幅值为±UE的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。二、二极管双T形电桥电路VD2VD1±UEC1C2ABR2R1RLUo+-第四章电容式传感器哈尔滨工业大学第四章电容式传感器R2RL+R1+I1I2C1C2若将二极管理想化，则正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极短的时间充电至UE，电容C2的电压初始值为UE，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL的放电电流为i2，流过RL的总电流iL为i1和i2的代数。当传感器没有输入时，C1=C2。哈尔滨工业大学在负半周时，二极管VD2导通、VD1截止，电容C2很快被充电至电压UE；电源经电阻R2以i1向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1经电阻R1、负载电阻RL放电，流过RL的放电电流为i2。流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和。UR1RL+R2+C1C21I2I第四章电容式传感器哈尔滨工业大学若C1≠C2,I1≠I2,此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为120121[()()]21()ToLLLLLELUIRItItdtRTRRRUCCTRR输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学电路特点：1、线路简单，可全部放在探头内，减小了分布电容的影响。2、电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。3、当U幅值较高，使二极管VD1、VD2工作在线性区域时，测量的非线性误差很小。4、电路的输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2及RL有关，约为1~100kΩ。克服了电容传感器高内阻的缺点。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学上文回顾•电感式传感器•感应同步器•原理•信号处理方法•电容传感器•原理•测量电路交流电桥二极管双T网络哈尔滨工业大学第四章电容式传感器三、差动脉冲宽度调制电路差动脉冲调宽电路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。其基本出发点是构成一个频率稳定的方波发生器，以电容变化来调节占空比，由此引起平均直流分量的变化。哈尔滨工业大学第四章电容式传感器双稳态触发器R2A1A2VD2VD1R1uABC2C1QQAGBFUr比较器循环工作-++-RS触发器高电平电压为：U1哈尔滨工业大学uAU1ouBU1ouABouFoUrT1U1uGUroT2tttttuAU1otuBU1ouABUoouFUrouGUroT2T1tttt第四章电容式传感器U0平均值为零U0平均值不为零哈尔滨工业大学29uA、uB脉冲宽度不相等时，一个周期(T1+T2)时间内的平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后，可获得Uo输出21211TTTTUUUUBAo式中：U1——触发器输出高电平；T1、T2——Cx1、Cx2充电至Ur时所需时间。第四章电容式传感器111122111,1xxrrUUTRCnTRCnUUUU12121UCCCCUxxxxo哈尔滨工业大学把平行板电容的公式代入上在变极板距离的情况下可得21112oUU式中,分别为Cx1、Cx2极板间距离。当差动电容Cx1=Cx2=C0，即时，Uo=0；若Cx1≠Cx2，设Cx1Cx2，即,则有1oUU第四章电容式传感器21、2112,哈尔滨工业大学同样，在变面积电容传感器中，则有1USSUo由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有影响。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学四、运算放大器式电路这种线路的最大特点是从原理上克服单个变间隙电容式传感器的非线性，使输出与输入动极板位移成线性关系。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学反相放大电路反馈元件是传感器电容CxC是固定电容电源电压u理想运放uCCuCjCjuxx)/(1)/(10将/SCx代入SuCu0输出电压与电容极板间距成线性关系，从原理上保证了变极距型电容传感器的线性。第四章电容式传感器哈尔滨工业大学LC