《传感器与检测技术》第三章 电容式传感器

第三章电容式传感器3.1电容式传感器的原理与结构3.2电容式传感器的特性与补偿3.3电容式传感器的测量电路3.4电容式传感器的应用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。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，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。它的优点是测量范围大、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。可以广泛的应用在力、压力、压差、振动、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。第一节电容式传感器的原理与结构平板电容器电容量为：ε—电容极板间介质的介电常数，ε=ε0•εr，其中ε0为真空介电常数，εr—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。当被测参数变化使得式中的A，d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。这就是电容传感器的基本工作原理。因此，电容式传感器可分为变极距式、变面积式和变介质式三种类型。平板电容器电容量为：当被测参数变化使得式中的A，d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。基本工作原理：如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可分为变极距式、变面积式和变介质式三种。dAC第一节电容式传感器的原理与结构一、变极距式电容传感器1．变极距式电容式传感器的工作原理原理：仅改变极距一个参数，就可把极距的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。当保证最大位移小于间距的1/10时，电容值相对变化量为：C与Δd的关系呈近似线性关系。灵敏度为：对于一个变极距式电容传感器，其灵敏度是与其初始极距大小和初始电容量相关的近似常数。00ddCC00ddCdCk2．变极距式电容式传感器的结构（1）差动结构变极距式电容式传感器1为动片、2为定片，中间电极若受力向上位移Δd则C1容量增加，C2容量减小，推出：电容传感器做成差动式后之后，灵敏度提高一倍。（2）保护环结构变极距式电容式传感器电极板间的边缘效应移到了保护环与极板2的边缘，消除极板的边缘效应的影响，极板1与极板2间的场强分布变得均匀ddχ212002ddCC保护环极板1极板2（3）高介电常数的变极距式电容式传感器极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气的仅为3kV/mm。有了云母片，极板间起始距离可大大减小。变极板间距离电容式传感器的起始电容在20～100pF之间，将极板间距离设定在25～200μm的范围内，将最大位移应小于间距的1/10，在微位移测量中应用最广二、变面积式电容式传感器1．变面积式电容式传感器工作原理原理：仅改变面积一个参数，就可把面积的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。分类：根据面积变化方式的不同分为：平板形变面积式电容式传感器、旋转形变面积式电容式传感器、圆柱形变面积式电容式传感器。（a）平板形变面积式电容（b）旋转形变面积式电容（c）圆柱形变面积式电容（1）平板形变面积式电容式传感器对于一个特定的平板形变面积式电容传感器，其灵敏度是与其几何结构和介电常数相关的常数。（2）旋转形变面积式电容式传感器对于一个特定的旋转形变面积式电容传感器，其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数。（3）圆柱形变面积式电容式传感器对于一个特定的圆柱形变面积式电容传感器，其灵敏度是与其几何结构和初始电容量相关的常数。2．变面积式电容式传感器的结构图示是变面积式差动电容结构，传感器输出和灵敏度均提高一倍。（a）平板形差动电容；（b）旋转形差动电容；（c）圆柱形差动电容三、变介质式电容式传感器变介质式电容式传感器工作原理保持面积和极距两个参数不变，而仅改变介质一个参数，就可把介质的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。这就是变介质式电容传感器的基本工作原理。变介质式电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张，绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。圆柱形变介质式电容式传感器平板形变介质式电容式传感器第二节电容式传感器的特性与补偿一、一般结构电容传感器1．一般结构变极距式平板电容传感器的灵敏度电容传感器的灵敏度为：它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。2．一般结构变极距式平板电容传感器的非线性误差结论：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。001ddCCK%100%100)(00dddddd二、差动结构电容传感器1．差动结构变极距式平板电容传感器的灵敏度在时，此时电容传感器的在灵敏度为：2．差动结构变极距式平板电容传感器的非线性误差电容式传感器的相对非线性误差δ近似为：结论：电容传感器做成差动式之后，灵敏度提高一倍，而且非线性误差大大降低了。1/0dd0012ddCCK%100)(%100)(2)(22003dddddd第三节电容式传感器的测量电路电容转换电路交流电桥电路调频电路运算放大器式电路二极管双T型交流电桥脉冲宽度调制电路普通交流电桥紧耦合电感臂电桥变压器电桥普通交流电桥由电容C、C。和阻抗Z、Z’组成的普通交流电桥测量电路，其中C为电容传感器的电容，Z’为等效配接阻抗，C0和Z分别为固定电容和阻抗。这种交流电桥测量电路要求提供幅度和频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗Zi很高。为了改善电路的动态响应特性，一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的3-10倍。一、交流电桥测量电路紧耦合电感臂电桥该电路的特点是两个电感臂相互为紧耦合，它的优点是抗干扰能力强，稳定性高。一、交流电桥测量电路变压器电桥C1、C2为差动电容式传感器的电容ddAC1ddAC2dd2UU0可见，在放大器输入阻抗极大的情况下，输出电压与位移成线性关系。一、交流电桥测量电路交流电桥测量电路的特点①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，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（几MΩ至几十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、调频测量电路调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。1．工作原理调频振荡器的振荡频率为：当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为：2．使用结论振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调制波，其频率由上式决定。调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度，可以测至0.01μm级位移变化量。频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收以实现遥测遥控。ffLcccf0021)(21LCf21三、运算放大器式电路运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题。但要求Zi及K足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定。使用结论dAcUUi0•原理：运算放大器的放大倍数K非常大，而且输入阻抗Zi很高。四、二极管双T型交流电桥2．线路特点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；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。1．结构e是高频电源，它提供幅值为Ui的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两个二极管，R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。当传感器没有输入时，C1=C2。四、二极管双T型交流电桥3．使用结论①当电源电压确定后，输出电压Uo是电容C1和C2的函数。②该电路输出电压较高，当电源频率为1.3MHz，电源电压Ei=46V时，电容从-7～+7pF变化，可以在1MΩ负载上得到-5～+5V的直流输出电压。③电路的灵敏度与电源幅值和频率有关，故输入电源要求稳定。当Ui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，其值为1～100kΩ。输出信号的上升沿时间取决于负载电阻。对于1kΩ的负载电阻上升时间为20μs左右，故可用来测量高速的机械运动。第四节电容式传感器的应用一、电容式传感器的特点1．电容传感器的优点（1）温度稳定性好（2）结构简单，适应性强（3）动态响应好（4）可以实现非接触测量、具有平均效应（5）所需能量小、可测微小位移2．电容传感器的缺点（1）输出阻抗高，负载能力差（2）寄生电容影响大（3）输出特性非线性二、电容式传感器的应用1．电容式压力传感器当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。2．电容式加速度传感器主要特点：频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。3．差动式电容测厚传感器振荡频率包含了电容传感器的间距dx的信息。各频率值通过取样计数器获得数字量，然后由微机进行处理以消除非线性频率变换产生的误差，即可获得板材厚度。4．电容式料位传感器测定电极安装在罐的顶部，这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。结论：两种介质常数差别越大，极径D与d相差愈小，传感器灵敏度就愈高。当罐内放入被测物料时，由于被测物料介电常数的影响，传感器的电容量将发生变化，电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关，且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度作业与思考题1．电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。2．粮食部门在收购、存储粮食时，需测定粮食的干燥程度，以防霉变。请你根据已学过的知识设计一个粮食水份含量测试仪（画出原理图、传感器简图，并简要说明它的工作原理及优缺点）。3．试分析变面积式电容传感器和变间隙式电容传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题？4．正方形平板电容器，极板长度a=4cm，极板间距离δ=0.2mm。若用此变面积型传感器测量位移x，试计算该传感器的灵敏度并画出传感器的特性曲线。极板间介质为空气，εo=8.85x10-12F/m。5．为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线性特征？6．为什么变极距型电容传感器的灵敏度和非线性是矛盾的？实际应用中怎样解决这一问题？7．有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8cm2，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数为1.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。8．一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙δ=0.3mm，问：1）工作时，如果传感器与工作的间隙变化量Δδ=±1µm时，电容变化量是多少？2）如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，在Δδ=±1µm时