传感器第5章电容式

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第5章电容式传感器硅微电容式传感器测量管道液位高度第5章电容式传感器5.1电容传感器构成、工作原理及工作方式5.1.1电容式传感器的构成及各元件的作用1）电容式传感器的构成框图电容转换元件（确定函数）测量电路非电量电容变化量可用电量xfIU,,C2）定性工作原理被测非电量电容转换元件电容变化量测量电路电压（电流或频率）变化经标度转换显示出非电量值fIUCx,,标度转换第5章电容式传感器5.1.2平行板电容式变换元件的工作原理AB用两块金属板作电极板，可构成最简单的电容变换元件，如图：A、B两极板电荷密度分别为：Aqe两极板均匀电场强度为：0eE两极板间的电位差为：AqEEdlEdlUeBAAB0000A两极板面积真空介电常数第5章电容式传感器两极板间的电容为：AAqqUqCABAB00若极板间为任意介质，其介电常数为，并用相对介电常数表示，则有，则，将其代入计算式，得电容工作式为r0r0rAACCrAB05.1.3平行板电容器的工作方式电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化，电容器C可以通过改变故电容有如下三种工作方式：第5章电容式传感器1）变间隙工作方式：2）变面积工作方式：3）变介质工作方式：常数,)(AfC常数,)(AfC常数,)(AfC1.变间隙型传感器第5章电容式传感器第5章电容式传感器3IS0第5章电容式传感器故为常数）。0,（CC注：式成线性的条件，一是，二是略去了二次以上的高次项。所以一般情况下是非线性的。0CC10第5章电容式传感器讨论：•要提高传感器灵敏度应减小初始极距，初始极距受电容击穿电压限制；•非线性随相对的位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移；•起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；•为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。ISCC00/第5章电容式传感器ε２Ｃ１Ｃ２１上静片下静片动片差动结构的输出特性、灵敏度和非线性误差是怎样的？第5章电容式传感器2.变面积型传感器第5章电容式传感器。，所以得因为ACAC1）线位移变面积式（1）定性工作原理线位移改变有效面积电容变化xAC反映第5章电容式传感器（2）定量工作原理设：a为面积长度，b为面积宽度，则有A=ab，因此有：初始时：abC0xba工作时：外作用使极板移动了，面积变为，此时电容量为x)(xabxbabxabC)(xbCCC0后）常数（结构参数被确定/bxCSI第5章电容式传感器结论：••变面积式电容传感器灵敏度为常数，b和，。•与a无关，但a不宜太小，否则有边缘效应，使非线性增大。•适合大位移测量。xCISIS2）角位移变面积式动极板静极板初始时：00C，＝)()()1()(0AAAAAC时，第5章电容式传感器),()1()()(0fCAACC所以变面积型电容传感器与变极距型相比，其灵敏度较低。因此，在实际应用中，也采用差动式结构，以提高灵敏度。角位移测量用的差动式典型结构如图所示。图中：A、B为同一平(柱)面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板。动极板C平行于A、B，并在自身平(柱)面内绕O点摆动。从而改变极板间覆盖的有效面积，传感器电容随之改变。C的初始位置必须保证与A、B的初始电容值相同。oRr第5章电容式传感器3.变介质型传感器这种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物质的湿度。•测某种材料的厚度变量1d2d动极板静极板11＝空气2固体电介质初始时：)]([)(222221022112211221121210dffddAddAdAdAdAdACCCCCrrrrr022011,rr第5章电容式传感器第5章电容式传感器第5章电容式传感器第5章电容式传感器εdσ动片当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之间的关系为：rddSddSC00第5章电容式传感器5.2电容式变换元件的主要特性5.2.1单组式输出特性单组式是指只有两个电极构成的电容变换元件。1。变间隙式输出特性32。变面积式输出特性1）线位移变面积式输出2）角位移变面积式输出xbCCC0)()1()()(0fCAAC第5章电容式传感器3。变介质式输出特性5.2.2差动式输出特性5.2.3变间隙式差动电容的电压输出特性1C2CCUU1Q2Q当，则差动电容为00201,ACAC因为C1和C2串联所以有11212121,UCCUQQQCCCCC则有及第5章电容式传感器UUUCCCCUCCCUCCCUUUUCCCUUCCCUUCUCCCC21122112122121122121112121,＝同理：＝得可以看出：差动输出电压（成线性）U第5章电容式传感器5.2.4电容式传感器的等效电路电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。电容传感器的等效电路包括:传输线的电感L、高温高湿高频下损耗电阻Rs（小）;传感器电容C，A、B两端分布寄生电容Cp，并联损耗电阻Rp。ps第5章电容式传感器在以下各种实际工作条件下，等效电路可如下简化：1）在绝大多数正常条件下工作时，可视为纯电容，即Xc＝1/jwC.2）在高频条件下工作时，Cp很小可视为0，主要由L和Rs及C起作用。3）在低频条件下工作时，只有C和Rp起作用。4）当实际使用时，主要考虑L和C的作用。等效电容为灵敏度发生变化为)()1(22fLCLCCCCCCee在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。第5章电容式传感器5.2.5电容式变换元件的高阻抗、小功率和易受干扰特性1)电容阻抗，因为C为几pF至几十pF，所以C↓↓→Xc↑↑。2）小功率Pc＝UⅠ=U2,可见C↓↓→Pc↓↓3）易受干扰特性因为C↓↓，Xc↑↑，则Pc↓↓，所以易受外干扰，使用时应注意屏蔽保护。5.2.6静电引力特性CXC/1C电容式变换元件是在静电场中工作，接电源以后，两块极板分别带正负电荷，则两个极板间必然存在静电引力或静电力矩。静电力的方向总是使两极板间电容增大，即极板间隙减小。第5章电容式传感器5.3电容式变换元件的误差及补偿电容变换元件的工作误差主要由原理误差、温度误差、边缘效应误差、寄生电容误差等组成。5.3.1变间隙式工作原理引起的非线性误差（前已讲述）5.3.2温度误差环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。这种影响主要有以下两个方面：1）温度对几何参数（结构尺寸）的影响及补偿第5章电容式传感器电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。现以图所示变极距型为例，设定极板厚度为h0，绝缘件厚度b0，动极板至绝缘底部的壳体长为a0，极间的间隙为d0，各零件材料的线膨胀系数分别为aa、ab、ah。当温度由t0变化Δt后,极间隙将由d0=a0-b0-h0变为dt由此一起的温度误差为0a0d0b0h第5章电容式传感器0a0d0b0hTbbbThhhTaaabthtat000000)1()1()1(000ThTbTadhbat此时间隙为变化量为引起的相对误差为要使相对误差为零必有Thbadddhbatt)(00000000000)(hbaThbaddhbat00000000hbdahbahba第5章电容式传感器2）温度对介电常数的影响及补偿温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、蓖麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。例如煤油的介电常数温度系数可达0．07％/℃；若环境温度变化±30℃，则将带来7％的温度误差，故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。5.3.3绝缘问题选取的绝缘材料要求低膨胀系数和几何尺寸长期稳定，还应具有高的绝缘电阻、低的吸潮性和高的表面电阻。第5章电容式传感器5.3.4寄生电容与分布电容的影响及补偿电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易受外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。下面介绍几种常用方法。1）驱动电缆法（等电位法）提高电容传感器的稳定性，克服寄生电容耦合。原理是：连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。从而消除引线与内屏蔽之间的电容。第5章电容式传感器它实际上是一种等电位屏蔽法。即：在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接人增益为1的驱动放大器，(接线如图示)。这种接线法使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响；而内、外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。该方法的难处是，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输出与输入的相移为零。为此有人提出，用运算放大器驱动法取代上述方法。第5章电容式传感器2）运算放大器驱动法•运算放大器驱动法利用运算放大器的虚地来减小电缆寄生电容的影响，其原理是：电容式传感器的一个电极经引线电缆芯线接运算放大器的虚地点，电缆的屏蔽层接传感器地，这时与传感器电容相并联的为等效电容Cp/(1+A),因而大大减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接传感器地而对芯线不起作用。传感器的另一电极经传感器外壳接大地，以防止外电场的干扰，若采用双屏蔽层电缆，其外屏蔽层接大地，则干扰影响更小。第5章电容式传感器其他方法还有：整体屏蔽法，采用组合式与集成技术。5.4电容式传感器的测量电路电容式传感器将被测非电量变换为电容变化后,必须采用测量电路将其转换为电压、电流或频率信号。2Z11ZZ3Z4Z0UU5.4.1交流不平衡电桥第5章电容式传感器5.4.2变压器式电桥U2/U2/U212102CCCCUU当差动电容极板偏离中心位置时则20UU5.4.3运算放大器测量电路E0IIACEUCCEUx0000第5章电容式传感器交流电桥的多种形式第5章电容式传感器5.4.4差动脉冲调宽电路电路原理图波形图第5章电容式传感器电路组成：A1、A2比较器；双稳态触发器；VD1、VD2与电阻；组成充放电回路；Uf参考直流电压；双稳态作输出；电容C1、C2为传感器差动电容。电路分析：双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。两端间的平均电压(经一低通滤波器)为第5章电容式传感器5.5电容式传感器的应用电容式传感器的组成框图位、厚度等流量、成分、液位、料力、差压、加速度、力、力矩、压）位移（线位移、角位移非电量电容变换器（确定关系）测量电路（确定关系）电容变化∆C可用电量U、I、f第5章电容式传感器5.5.1电容式液位计