王介生-2010检测技术-第5章 电容式传感器

传感器与检测技术主讲：王介生概述第5章电容式传感器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概述第5章电容式传感器电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。特点：–结构简单、体积小、分辨率高；–可实现非接触式测量；–动态响应好；–能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；–电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象。概述第5章电容式传感器传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现在逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。电容式传感器的特点是：•电容器容量小几十～几百微法，具有高输出阻抗;•静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；•可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；•功率小，本身发热影响小；•可以进行非接触测量。电容传感器电容器基础知识平板电容器dSC柱形电容器dDLCln2一、电容传感器工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，其电容量为：0rAACddεdAε：电容极板间介质的介电常数，ε=ε0·εr，ε0为真空介电常数，εr为极板间介质相对介电常数；A：两平行板所覆盖的面积；d：两平行板之间的距离。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器→变面积型、变间隙型、和变介电常数型。0rAACddεdA改变A、d、ε三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C改变。电容式传感器的结构变极距型传感器变极距型传感器电容式传感器的结构变面积型传感器变面积型传感器电容式传感器的结构变介质型传感器5.1.1变面积型电容式传感器电容改变量与水平位移成线性关系000()/1rxCCCaxbdCabxadxARrxlx（a）平板状（b）筒状02()2(1)1lnlnlxlxlCCxlRRrr0CxCl初始电容：dabC0当动极板移动x：0CxCa（1）直线位移型电容改变量与角位移呈线性关系图6.6角位移测量的变面积型电容式传感器原理图动极板定极板22rA图6.7　计算扇形面积的方法r0(1)AA0000001(1)rCACCCd00CCCC5.1.1变面积型电容式传感器5.1.1变面积型电容式传感器结论：•变面积式电容传感器灵敏度K为常数；•输出特性为线性；•适合大位移测量。5.1.2变介质型电容式传感器因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。这种传感器可用来测量物位或液位，测量厚度，也可测量位移。5.1.2变介质型电容式传感器电容增量与被测液位的高度成线性关系002lnHCDd＝00100111202()222(1)2(1)lnlnlnlnlnHhhHhhCCCCDDDDDddddd＝＝102(1)lnhCCCDdDdHh1ε1：液体介质的介电常数ε:空气的介电常数；H:电极板的总长度；d、D：电极板的内、外径；BhAC可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。5.1.3变极距型电容式传感器000rACd＝000002000111rdCdACCCCdddddd＝CC1C2Od1d2CC1C20d1d2d1-动极板2-定极板简化：近似直线关系00000(1)CddCCCdd＝＋00ddCC由C0式可以看出，在d0较小时，对于同样的Δd变化所引起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0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.5.1.3变极距型电容式传感器00000ggggCCACddCCgdgd00εg——云母的相对介电常数，εg=7；ε0——空气的介电常数，ε0=1；d0——空气隙厚度；dg——云母片的厚度。一般极板间距在25～200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。可测量位移精度：0.01微米到0.1微米。5.1.3变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器的非线性单位输入位移所引起的输出电容量变化与成反比关系00011CddCdd＝23000001CddddCdddd＝00CdCd001CCKdd0d非线性误差非线性误差：2000001CddddCdddd＝%100%1000020dddddd＝差动结构00d1d2C1C2A图6.9平板电容器的差动式结构10011CCdd－20011CCdd30200011ddddddCC＝30200021ddddddCC＝50300021222ddddddCCCC＝2460000021CddddCdddd＝002CdCd%100%1002220030dddddd＝002CCKdd差动的好处灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善002CdCd001CdCd0100%dd20100%dd5.2电容式传感器的测量电路5.2.1调频电路012012()fLCCC0012012()fffLCCCC鉴频限幅调频振荡器CoL电容式传感器ffu放大u输出cCCCC01振荡回路固有电容传感器电容引线分布电容LCf215.2.2变压器式交流电桥U2U2UC1C2oU＋－＋－＋－22101212ZZZZZ2ZZ2UUUU－＝－＝＋＋120122CCUUCC－＝＋5.2.3运算放大器对平板电容器：输出电压与输入位移间存在线性关系00000011iCUZIIjIjwCwC011xCxxxxxUZIIjIjwCwC00xII00ixCUUC00idCUUA0IiUOiIxIoU－KxC0C5.3电容式传感器的应用电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。5.3电容式传感器的应用5.3.1电容式压力传感器LHHLLHCCKPPKPCC=（）=外壳金属镀层（定极板）凹形玻璃膜片（动极板）过滤器LCHCLPHP5.3.2电容式位移传感器被测振动体振动平面测端（电极）电容式传感器绝缘衬垫壳体弹簧卡圈电极座弹簧螺母(a)结构(b)应用5.3.3电容式加速度传感器20002CdatCdd002CdCd212Sdat壳体固定电极C1C2输出端d1d2弹簧质量块绝缘垫5.3.4电容式厚度传感器轧辊电容器极板被测带材2C1C习题一、单项选择题1、如将变面积型电容式传感器接成差动形式，则其灵敏度将（）。A.保持不变B.增大一倍C.减小一倍D.增大两倍2、当变隙式电容传感器的两极板极间的初始距离d0增加时，将引起传感器的（）A．灵敏度K0增加B．灵敏度K0不变C．非线性误差增加D．非线性误差减小3、当变间隙式电容传感器两极板间的初始距离d增加时，将引起传感器的（）。A．灵敏度会增加B．灵敏度会减小C．非线性误差增加D．非线性误差不变4、用电容式传感器测量固体或液体物位时，应该选用（）。A．变间隙式B．变面积式C．变介电常数式D．空气介质变间隙式BDBC习题5、电容式传感器通常用来测量（）。A．交流电流B．电场强度C．重量D．位移6、下列不属于电容式传感器测量电路的是（）A．调频测量电路B．运算放大器电路C．脉冲宽度调制电路D．相敏检波电路7、电容式传感器做成差动结构后，灵敏度提高了（）倍A．1B．2C．3D．0二、多项选择题1、电容式传感器中输入量与输出量关系为线性的有()A.变面积型电容传感器B.变介质型电容传感器C.变电荷型电容传感器D.变极距型电容传感器2、电容式传感器信号转换电路中，（）用于单个电容量变化的测量A．调频电路B．运算放大电路C．二极管双T型交流电桥D．脉冲宽度调制电路DDAABAB习题三、填空题1、电容式传感器利用了将非电量的变化转换为的变化来实现对物理量的测量。2、电容式传感器根据其工作原理的不同可分为电容式传感器、电容式传感器和电容式传感器。3、变极距型电容式传感器的灵敏度是指单位距离改变引起的。4、变极距型电容式传感器单位输入位移所引起的灵敏度与两极板初始间距成关系。5、电容式传感器中，变介电常数式多用于的测量；电容式传感器中，变面积式常用于较大的的测量。6、变间距电容传感器的灵敏度与成反比，所以适合于微小位移的测量。变面积式电容传感器的灵敏度与成正比，所以不适合微小位移的测量。7、电容式传感器的灵敏度是指单位距离改变引起的。电容量变极距型变面积型变介质型电容相对变化量反比液位位移量电容极板初始距离位移量电容相对变化量习题三、填空题8、电容式传感器利用了将的变化转化为的变化来实现对物理量的测量。9、电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）外是线性的。10、电容式传感器将非电量变化转换为的变化来实现对物理量的测量，广泛应用与、、角度、等机械量的精密测量。11、移动电容式传感器动极板，导致两极板有效覆盖面积A发生变化时，将导致电容量变化，传感器电容改变量与动极板水平位移成关系、与动极板角位移成关系。12、忽略边缘效应，变面积型电容式传感器输入量与输出量的关系为（线性、非线性），变介质型电容式传感器输入量与输出量的关系为（线性、非线性），变极距型电容式传感器输入量与输出量的关系为（线性、非线性）。13、变极距型电容传感器做成差动结构后，灵敏度提高了倍，而非线性误差转化为关系而得以大大降低。非电量电容量②电容量位移振动加速度线性线性线性线性非线性1平方习题四、简答题1、根据电容式传感器工作原理，可将其分为几种类型？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？2、如何改善单极式变极距电容传感器的非线性？3、电容式传感器有哪几种类型？差动结构的电容传感器有什么优点？4、简述电容式传感器的工作原理与分类。5、影响电容式极距变化型传感器灵敏度的因素有哪些？提高其灵敏度可以采取哪些措施，带来什么后果？6、根据电容传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？7、简述电容式加速度传感器的工作原理（要有必要的公式推导）621C1C25d1d2431—固定电极；2—绝缘垫；3—质量块；4—弹簧；5—输出端；6—壳体习题四、简答题8、简述变极距型电容传感器的工作原理（要求给出必要的公式推导过程）。9、试推导差动变极距型电容式传感器的灵敏度，并与单极式相比较。10、电容式传感器的基本工作原理是什么？根据其基本原理说明它的分类并分别举例说明其应用（要求每种类型至少例出一项应用）。