4 电容式传感器3

4.1电容式传感器的工作原理和结构4.2电容式传感器的等效电路4.34.4第4章电容式传感器•电容式传感器是基于电容器的原理，将被测非电量的变化转化为电容量变化的一种传感器。被测量⇒C⇒U（I）应用：电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。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电容式传感器典型应用硅微电容式加速度传感器测量管道液位高度4.1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0rAACdd＝＝ε0——真空介电常数；ε——电容极板间介质的介电常数平板电容器的结构AdA——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；εr——相对介电常数；变极距(d)型变面积型(A)型变介电常数(ε)型4.1工作原理和结构•在实际使用中，通常保持其中两个参数不变，而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出，此即电容式传感器的原理。•根据这一性质，电容式传感器可以分为d,A,(r)变化C变化U(I)变化4.1工作原理和结构一、变极距型电容传感器000dACr当传感器的εr和A为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd,电容量增大ΔC,则有(4-1)000001ddCddACCCr图4.1.1电容量与极板距离的关系CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d•由式(4-1)可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是如图4.1.1所示曲线关系。4.1工作原理和结构2000100011ddddddddddCC由式(4-1)得，电容相对变化量为4.1工作原理和结构0001ddCCdd可见电容的相对变化与输入位移Δd之间的关系也是非线性的，当4.1工作原理和结构•此时近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在Δd/d0很小时,才有近似的线性输出。•灵敏度(单位位移引起的输出电容相对变化量)：ddCCC0000dCdCS•考虑二项式的相对非线性误差：%100/%100/)/(0020dddddd4.1工作原理和结构•由此可得：(1)要提高灵敏度，可用减少初始极距d0的办法。(4)在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，大都采用差动式电容结构。(3)起始极距与灵敏度、非线性误差相矛盾，适合测量小位移。(2)非线性随着相对位移Δd的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移。110ddACggεg=7—云母的相对介电常数ε1=1—空气的相对介电常数d1—空气隙厚度dg—云母片的厚度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(如图4.1.2所示),此时电容C变为4.1工作原理和结构gdgd11图4.1.2放置云母片的电容器当d1减小了Δd时，电容将增大ΔC，因此电容变为：10100/11)(/dddCdddACCCgggg1/1dddgg3121102110///C//1dddddddddCddddddCCgggggggggg即：4.1工作原理和结构因为，可按泰勒级数展开10/CdddCgg%dεdΔdgg100110/CSddgg并可略去高次项得故灵敏度S可表示为其非线性误差可表示为4.1工作原理和结构•云母片的插入对非线性误差的影响：设无云母片时极板间距为d0，其非线性误差为Δd/d0；插入厚度为dg的云母片时，有d0=d1+dg。此时非线性误差为Δd/(d1+dg/εg)，由于εg=71故(d1+dg/εg)(d1+dg)=d0，则对同样的Δd，其非线性误差将增加，线性度将变坏。4.1工作原理和结构•云母片的插入对灵敏度的影响：云母片击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离d1可大大减小，可知传感器的灵敏度能大大提高。bxadxS二、变面积型电容传感器图4.1.3变面积型电容传感器原理图4.1工作原理和结构图4.1.3是变面积型电容传感器原理结构示意图。通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变，从而得到电容量的变化。dabCr00•当动极板相对于定极板沿宽度方向平移Δx时，则电容变化量为axCdaxbadxbCdbxaCCCrrr000000)(•axCC04.1工作原理和结构它的灵敏度为dbxCS本图也是变面积式电容传感器，是右图的变形当极板的齿数为n时，移动x后xdbnC灵敏度为可见其灵敏度为单极板的n倍。4.1工作原理和结构dbnxCK•图4.1.4是电容式角位移传感器原理图。当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。定极板动极板图4.1.4角位移传感器1110001100CdAdACAAdAC为：时，极板间的相对面积。时，4.1工作原理和结构0CC则有：4.1工作原理和结构结论：•输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围限制，适合测量较大的直线位移和角位移。•变面积式电容传感器灵敏度S为常数。0CCS它的灵敏度为可以看出，传感器的电容量C与角位移θ呈线性关系。图4.1.5是一种常用的结构形式。图中两平行电极固定不动，极距为d0，相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。三、变介质型电容传感器L0d0r1r2L图4.1.5变介质型电容式传感器4.1工作原理和结构LLLdbCCCrr20100021)(式中：L0，b0—极板的长度和宽度；L—第二种介质进入极板间的长度。•若电介质εr1=1，当L=0时，传感器初始电容为•传感器的总电容量相当于两个电容C1和C2并联：4.1工作原理和结构000100dbLCr0000)1(2LLCCCCCr可见,电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。上述原理可用于非导电流散材料的物位测量。4.1工作原理和结构当被测介质εr2进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为图4.1.6是一种圆筒形变极板间介质的电容式传感器，用于测量液位高低。将电容器极板插入被监测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面增大。DdHh01设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h,变换器总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D。在没有液体进入之前，这种圆筒形线位移传感器变换器的初始电容值为：图4.1.6电容式液位变换器结构原理图dDHCln2004.1工作原理和结构)(ln2)(ln2ln2010010dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln201dDnhC1201可见,此变换器的电容变化量正比于被测液位高度h。且与被测液位h成线性关系。当有液位上升时，HhCC00104.1工作原理和结构•棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。聚四氟乙烯外套4.1工作原理和结构电容式液位计电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的信号。4.1工作原理和结构液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。设定按钮4.1工作原理和结构智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯4.1工作原理和结构12(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)试判断下述电容式传感元件的结构形式？4.1工作原理和结构4.2电容式传感器的等效电路电容式传感器的等效电路可以用图4.2.1电路表示。RsLCRpCp图4.2.1电容式传感器的等效电路RP—并联损耗电阻(极板间的漏电及介质损耗)RS—串联损耗电阻(导线、极板间和金属支座等损耗电阻)L—分布电感(电容器本身的电感和外部引线电感组成)C—传感器电容Cp—寄生电容eqLCZZZ11eqjwLjwCjwC21eqCCwLC21eqeqCCCCwLC在高频激励时，尤需考虑L的存在，忽略Rs和Rp有效电容Ceq电容的实际相对变化量为4.2电容式传感器的等效电路RsLCRpCp22)1(LCCCeq4.3电容式传感器的测量电路•电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示，也很难为记录仪所接受，不便于传输。•这就必须借助于测量电路检出这一微小电容增量，并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。•电容转换电路有运算放大器式电路、电桥电路、调频电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。一、运算放大器式电路•由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。图4.3.1是运算放大器的电路原理图。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。cbICiU∑iIcxICxoUA图4.3.1运算放大器式电路原理图4.3电容式传感器的测量电路由运算放大器工作原理可知cxxcxxcxCocbcbcbCiIwCjIjwCIZUIwCjIjwCIZUx1111cxcbII又有所以ixUCCU04.3电容式传感器的测量电路4.3电容式传感器的测量电路如果传感器是一只平板电容,则Cx=εA/d,代入上式•式中“-”号表示输出电压与电源电压反相。此式说明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。iUACdU04.3电容式传感器的测量电路二、电桥电路图4.3.2为电容式传感器的电桥测量电路。图4.3.2电桥测量电路4.3电容式传感器的测量电路•一般传感器包括在电桥内，用稳频、稳幅和固定波形的低阻信号源去激励，最后经电流放大及相敏整流得到直流输出信号，如4.3.2（b）所示。•由图4.3.2（a）可得平衡条件为：211212211dddCCCzzz平衡电桥（电阻平衡臂电桥）振荡器电桥放大器　相敏检波输出参考电压•若中心电极移动了Δd，欲使电桥重新平衡，必须调整变压器次级的分压比，此时z1变为z'1，有：4.3电容式传感器的测量电路211211zzzddddabddzzzzzzddzzzzddd1121212112121121故：4.3电容式传感器的测量电路由于电感技术的发展，用变压器电桥能够获得精度较高而且长期稳定的分压系数。Z2Z1Ui图3-6普通交流电桥测量电路C1C2高频电源交流放大器相敏检波器低通滤波器这里将Z1+Z2设计成一线性分压器，a和b分别是位移前后的分压系数。分压器原则上用电阻、电感或电容制作均可。4.3电容式传感器的测量电路不平衡电桥（变压器电桥）0021212112110222)12(22d