7 电容式传感器

7电容式传感器•第一节工作原理与类型•第二节转换电路•第三节电容式传感器的误差分析•第四节电容式传感器的应用•第五节电容式集成传感器7电容式传感器•优点：•（1）测量范围大，相对变化量可大于100%•（2）灵敏度高，相对变化量可达10-7•（3）动态响应时间短•（4）机械损失小•（5）结构简单，适应性强，可非接触测量•缺点：•（1）寄生电容影响较大，可降低测量灵敏度，引起非线性输出，也可使传感器处于不稳定工作状态。•（2）具有非线性输出特性•（3）与传感器联接的线路比较复杂第一节工作原理与类型一、工作原理两个金属板间的电容为SSCr0二、类型（一）变极距（δ）型电容传感器（二）变面积（S）型电容传感器（三）变介电常数（ε）型电容传感器第一节工作原理与类型（一）变极距（δ）型电容传感器0000CCSC00SC302003020000)()())()(1(CC00CC%100/)/(0020L2000SCCK（一）变极距（δ）型电容传感器由上面两式知，δ0减少可使灵敏度K增大，但非线性误差也增大。因此常采用差动式结构，以提高灵敏度，减少非线性误差。))()((250300021CCCC002CC%100/)/(20030L002CCK第一节工作原理与类型（二）变面积（S）型电容传感器1.角位移式20RSC)1()(02CRC2.直线位移式abSC0)1()(0axCxabCxaCdxdCK0（二）变面积（S）型电容传感器3.圆柱形)/ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC0121212)/ln(2)/ln()(2)/ln(2第一节工作原理与类型（三）变介电常数（ε）型电容传感器1.电容液位计)/ln()(2)/ln(221221rRhhrRhC)/ln(2112rRhC)/ln()(2)/ln(2)/ln(2)/ln()(22112112121rRhrRhrRhrRhhCCC（三）变介电常数（ε）型电容传感器2.用于测量厚度或介电常数的变介质传感器1100110011001010ddSdSdSdSdSCCCCC第二节转换电路一、电容式传感器等效电路C0为传感器的电容值，Rg为极板间等效漏电阻，它包括两个极板支架上的有功损耗及极间介质有功损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。L为引线电缆电感和电容式传感器本身的电感，r为传输线的有功电阻，是引线电阻、金属接线柱电阻及电容极板电阻之和。其实还应有归结于输出端的寄生电容Cp，包括引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容，它与传感器电容是并联的一、电容式传感器等效电路有效电容Ce可由下式近似计算：202)/(1111ffCLCCCCjLjCjeeLCf210LCCCCCee21122)1(LCCCe22)1(LCKdCKee2wf第二节转换电路二、测量电路1.电桥电路电容电桥的主要特点有：(1)高频交流正弦波供电(2)电桥输出调幅波，要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施(3)通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥(4)输出阻抗很高（一般可达几MΩ到几十MΩ），输出电压低，必须后接高输入阻抗，高放大倍数的处理电路。二、测量电路2.二极管双T形电路2.二极管双T形电路在[R+(RRL)/(R+RL)]C2T/2时,电容C2的平均电流为2221CURRRRTIELLC在负半周时，电容C1的平均电流为1121CURRRRTIELLC在负载RL上产生的电压为)(2)(21221CCTURRRRRRICICRRRRUELLLLLO二极管双T形电路特点•（1）线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响•（2）电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定•（3）输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点，且输出电压较高，因此适当选择电阻R，则输出电流可用毫安表或微安表直接测量；•（4）适用于具有线性特性的单组式和差动式电容传感器•（5）工作电平很高，二极管VD1和VD2都工作在特性曲线的线性区内；•（6）输出信号的上升时间取决于负载电阻。对应于1KΩ的负载电阻，上升时间为20微秒左右，因此它能用来测量高速机械运动。二、测量电路3.差动脉冲调宽电路3.差动脉冲调宽电路12121211UTTTUUTTTUBPAPrrUUUCRTUUUCRT1122211111lnln22112211121211CRCRCRCRUTTTTUUUUBPAPO21211CCCCUUOCCUUO01差动脉冲调宽电路特点•不需附加解调器，即能获得直流输出，输出信号为100KHZ到1MHZ的矩形波，所以直流输出只须经低通滤波器简单引出，对输出波形纯度要求不高；只需一电压稳定度较高的直流电源，要求比较低。二、测量电路4.运算放大器式电路SCuUSCCCZZuUOxxO0004.运算放大器式电路00000/11)(xxxSCCCCCCCEU)1(21)1(2100SCECCEUxSC第三节电容式传感器的误差分析一、温度对结构尺寸的影响电容器的电容变化如下式所示•C=C0+ΔCP+ΔCT在初始温度t0时，电容传感器动片与定片的间隙为d0=L-h1-h2当温度变化Δt时，间隙为dt=L(1+aLΔt)-h1(1+ah1Δt)-h2(1+ah2Δt)tahahLadtahahLadddCCChhLhhLtttt)()(2211022110000)1()1(02211daahaahLhLh设计电容器时应根据合理的初始电容值选取d0，然后再根据ah1和ah2选择h1和h2以实现温度补偿。第三节电容式传感器的误差分析二、温度对介质介电常数的影响空气及云母介电常数的温度系数可认为等于零，而某些液体介如煤油、硅油、蓖麻油、甲基硅油等就必须注意由此引起的误差。温度误差一般可用后接的测量电路进行一定的补偿，但完全消除是困难的。三、电容电场的边缘效应)))(116(ln(6.320dhfdrrdrC第三节电容式传感器的误差分析四、寄生与分布电容的影响1.缩短传感器到测量电路前置级的距离2.驱动电缆法基本原理是使用电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连接的传感器电容极性电位，要求二电位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。驱动电缆法是目前解决电缆电容影响问题的有效办法第三节电容式传感器的误差分析•3.整体屏蔽法•将整个桥体（包括供电电源及传输电缆在内）用一个统一屏蔽保护起来。而其关键则在于正确地选取接地点第三节电容式传感器的误差分析五、漏电阻的影响电容传感器的容抗都很高，特别是在激励电压较低时。因此在与测量线路配接时，当两极板间总的漏电阻与此容抗相近时，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响，它将使灵敏度下降。为了克服这一分路造成的不良后果，应认真选取两极板间支架材料，激励频率越低，所选材料的绝缘性能要越好。此外支架沿面的漏电阻也要特别注意，为此，在装配传感器时要先对零件进行清洗、烘干后再装配。当然，适当在提高激励电源的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求，但在某些情况下，频率增高也受限制，例如在对寄生电容影响抑制不强的线路中工作时就是这样。第四节电容式传感器的应用一、电容式差压变送器七十年代产品，优点：构造简单、小型轻量、精度高（可达0.25%），互换性强特点：输出为标准电流信号；动态响应时间为0.2-15秒；感压膜片采用张紧式结构第四节电容式传感器的应用二、电容式测微仪高灵敏度电容测微仪采用非接触式精确测量微位移和振动振幅。在最大量程为100±5μm时，最小检测量为0.01μm。hKhSECECCUxSC10000第四节电容式传感器的应用三、电容式液位计)/ln(212ddhCxx第四节电容式传感器的应用四、电容式应变计其原理是，在被测物体的两个固定点上，安装上两个薄而低的拱形弧，长方形电极固定在弧的中央。当两个固定点之间受压缩或受膨胀而产生位置变化时，极板距离将发生变化，从而使电容量发生相应变化。拱形弧材料可用膨胀系数为1110-6/C的镍合金制造，也可用不锈钢，但在高温下稳定性差一些。第五节电容式集成传感器一、基本类型及工作原理第五节电容式集成传感器二、转换电路00))((2CCCCVuVxxdO输出电压为一方波信号，其前后半周期的幅值差为(Uref/C3)×(C1-C2)，与电容变化量成正比。第五节电容式集成传感器三、特点与应用优点：体积小、输出阻抗小、可批量生产、重复性好、灵敏度高、工作温度范围宽、功耗低、寄生电容小，非常适合于CMOS制造技术缺点：如果不加适当屏蔽的话，易受电磁干扰。电容式加速度传感器已广泛应用于机械工具监控、工业振动监控、应急检测、汽车停车控制、汽车刹车控制、设备控制等等。其量程为40g、灵敏度为40mV/g、线性度为0.5%、带宽为400Hz。一种集成电容式压力传感器在105～1.4×105pa范围内，检测精度达13Pa，温度引起的波动为67Pa/OC。实例•例4-1现有一只0～20mm的电容式位移传感器，其结构如下图所示。已知L=25mm，R1=6mm，R2=5.7mm，r=4.5mm，CBC构成固定电容CF，CDC随活动导杆的伸入而变化，拟采用理想运算放大器测量电路，试回答：•（1)要求运算放大器测量电路的输出电压与输入位移x成正比，在测量电路中CF与Cx应如何连接？•（2）活动导杆每伸入1mm所引起的电容变化量为多大•（3）输入电压U=6V时，输出电压U0为多少•（4）固定电容CF的作用何在•（5）传感器与测量电路的连接线对传感器的输入有无影响实例•对于两同心圆筒状电极，其电容量为•(1)为了使U0=f(x)呈线性关系，CF与Cx要分别接在理想运算法测量电路的反馈端和输入端，见下图。按运算法测量电路的条件，可得特性式为rRLrRLCrrln8.1ln20FxxFCCZZUU0pFrRLCrF828.45.40.6ln8.15.21ln8.11Cx与x成线性关系rRxLCrx2ln8.1)(FxCCUU0即U0与x成线性关系实例（2）当x=1mm时，pFCx235.05.47.5ln8.11.0（3）当U=6V时VCCUUFx7.5828.4593.460（4）由于CAC与CBC（即CF）的结构尺寸及材料相同，它们又处于同样环境条件下，在特性式中又入于分子分母地位，因此CF可起到温度与湿度补偿作用。（5）电容传感元件的三个引出头A、B、C与理想运放之间可以有一定长度的连接线，用单股屏蔽导线的屏蔽线与地线相连，这样，由电缆线所构成的分布电容CAD、CCD、CBD对主电容Cx及CF基本没有影响，运算放大器不可以完全符合理想条件，因此电缆连接线不宜太长，一般在5-10m内能正常工作。