第二章电容式传感器

第3章电容式传感器3.1电容式传感器的工作原理和结构3.2电容式传感器的灵敏度及非线性3.3电容式传感器的测量电路3.4电容式传感器的主要性能、特点3.5电容式传感器的应用电容器是电子技术的三大类元件（电阻、电感和电容）之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。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，因此电容传感器的非线性得到较好地解决，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。3.1电容式传感器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为dAC电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。+++dA图3-1电容式传感元件的各种结构形式12(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)3.1.1变极距型（变间隙型）电容传感器图3-2为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数，初始极距为d0时，由电容表达式可知其初始电容量C0为：000dACr其中：εr为介质的相对介电常数ε0为真空介电常数(ε0=8.85×10-12F/m)CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d图3-2变极距型电容式传感器Ard图3-3电容量与极板间距离的关系d0过小时，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,如图。gdgd00图3-4放置云母片的电容器极距d变化型+++dArC0+++3.1.2变面积型电容式传感器图3-5为变面积型电容传感器原理结构示意图。当动极板相对于定极板沿长度方向平移Δx时，则电容变化为dbxaCrx)(0dbxCK灵敏度xdbCCCrx00bxadxS图3-5变面积型电容传感器原理图结论：变面积型电容传感器的输出特点为线性。即边长b↑或间隙d↓＝＞K↑面积变化型角位移型+++dACr0平面线位移型dACr0柱面线位移型.rRLCln23.1.3变介质型电容式传感器当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种，图3-6为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。图3-5介质面积变化的电容传感器CBCAxxld1d2ε1ε26C=CA+CB2112ddbxCA121ddxlbCB当无ε2介质时电容量为2110ddblC当插入ε2介质时，21212100///1ddlxCCCCCBA即：电容量C与位移x呈线性关系产品.电容式液位传感器（液位计/料位计）3.2电容式传感器的灵敏度及非线性10000001000111/11/11/100ddddCddCCCCddCdddAddAC因Δdd0，有(Δd/d0)＜1，上式按泰勒级数展开：00302000011ddddddddddddCC其相对非线性误差：%100/%100//0020dddddd由上式可见，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间成非线性关系，当|Δd/d0|1时可略去高次项，得到近似的线性关系：00ddCC电容传感器的灵敏度为：001/ddCCK即：单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。分析影响非线性误差和灵敏度的因素。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，一般采用差动式结构。图3-7是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图。图3-7差动平板式电容传感器结构图00d1d2C1C2SA2d1d2C1C动极板定极板差动电容传感器1.差动电容式传感器及其输出特性2211dACdAC(C1、C2的介质相同)设初态d01=d02=d0,则C01=C02=C0。动极板上移Δd：ddACddAC020140200002000200020202200000210201121/112/112/112)()(11ddddddCCddddddCdddddAddddAddddddACddddACCCddACddAC时，当近似线性关系002ddCC相对非线性误差：%100/%100/2/220030'dddddd灵敏度：002/ddCCK结论：采用差动结构，灵敏度提高了一倍，非线性误差减少了一个数量级。3.3电容式传感器的测量电路一、变压器电桥电容式传感器所用的变压器电桥如图3-8所示。当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为;以，代入上式可得21120ZZZ-Z2UU111CjZ221CjZ21210CCC-C2UU式中，C1、C2为差动电容式传感器的电容量。设C1和C2为变间隙式电容传感器，则有ddCA2ddCA1dd2uu0结论：变间隙式差动电容传感器采用变压器电桥测量电路，输出电压与位移呈线性关系。二、运算放大器式电路1.工作原理由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,其特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。图中Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压；Uo是输出信号电压；Σ是虚地点。..图3-12运算放大器式电路原理图cbICiU∑iIcxICxoUA-K0C0x0i0CCUUdACxdACUU0i0为运算放大器输出电压；为信号源电压；Cx为传感器容量；C0为固定电容器。0UiU结论：运算放大器测量电路输出电压与动极片间距d成线性关系。0U特点：（1）非线性误差小（增益和输入阻抗足够大）。（2）需克服分布电容影响。办法：将电容引出线屏蔽并接地。2.驱动电缆技术（双层屏蔽等电位传输技术）ＣxABC采取措施使A与B等电位，故内层屏蔽线B与信号线A之间无分布电容，而B与C之间存在分布电容，但此分布电容与Cx无联系，不产生影响。图中K1为前置放大器，K2为驱动电缆放大器，K3为主放大器。传感器信号线引出电位：UKKUKKUUUUxC)1(31310内层屏蔽电位：UKKKKUKKUKKUUKKUa)(31213121021图3-11采用驱动电缆技术的运算检测电路消除分布电容的条件：UCx=Ua，即（1+K1K3）UΣ=（K1K2+K1K3）UΣ即使K1K2=1即可3.4主要性能、特点一、主要性能1、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。对于变极距型其静态灵敏度kg为即灵敏度是初始极板间距的函数，同时还随被测量而变化。减小d可以提高灵敏度。但d过小易导致电容器击穿（空气的击穿电压为3kV/mm）。可在极间加一层云母片（其击穿电压大于103kV/mm）或塑料膜来改善电容器耐压性能。dddCdCKg/1103201dddddddCKg灵敏度取决于R/r，R与r越接近，灵敏度越高。虽然内外极筒原始覆盖长度与灵敏度无关，但不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。另外，变极距型和变面积型电容式传感器可采用差动结构形式来提高静态灵敏度，一般提高一倍。例如，对变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为rRlClCkg/ln20对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为rRlrRllrRlllCKg/ln4//ln2/ln2可见比相应单组式的灵敏度提高一倍。变面积型和变介电常数型电容式传感器，其输入被测量与输出电容量呈线性关系，因而其静态灵敏度为常数。显然，输出电容∆C与被测量之间是非线性关系。只有当(∆d/d)1时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为∆C＝C0(∆d/d)。由于d取值不能大，否则将降低灵敏度，因此变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内（1cm至零点几mm）。2、非线性对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：3201ddddddddCCddddCdddCC/1100采用差动形式，并取两电容之差为输出量∆C42012ddddddCC二、特点1．温度稳定性好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，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小)影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。2．结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。3．动态响应好电容式传感器由于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MHz的频率下工作，特别适合动态测量。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，如测量振动、瞬时压力等。4．可以实现非接触测量当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。电容式传感器除上述优点之外，还可以测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移。3.4电容式传感器的应用3.4.1电容式压力传感器图3-17差动式电容压力传感器结构图外壳p1p2金属镀层凹形玻璃膜片过滤器凸玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极P差动电容式差压传感器P弹性膜片(动电极)固定电极电容式压力传感器1C2C21CCCCACLCHC0C0CA等效电路hmaxd0CACLCHC0PHPL电容式差压变送器高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置各种电容式压力变送器外形3.4.2电容式物位传感器（物位计）根据电容式物位计原理示意图，可以得到该同心圆筒形电容器的总电容C与Lx成正比：Rr0L电容式物位计原理示意图LxLLrRLLLrRCxxx00022)(ln)(ln电容在物位测量控制中的使用演示3.4.3电容式加速度传感器图3-18差动式电容加速度传感器结构图621C1C25d1d2431—固定电极；2—绝缘垫；3—质量块；4—弹簧；5—输出端；6—壳体加速度传感器在汽车中的应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。假人安全气囊汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。汽车气囊对驾驶员的保护作用3.