第5章_电容式传感器1

第5章电容式传感器传感器原理及应用5.1工作原理和结构5.2灵敏度及非线性5.3等效电路5.4测量电路5.5应用第5章电容式传感器第5章电容式传感器传感器原理及应用概述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章电容式传感器传感器原理及应用概述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第5章电容式传感器传感器原理及应用电容传感器工作原理和类型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S—面积，称变面积型传感器—距离，称变极距型传感器—介质，称变介质型传感器0rssC第5章电容式传感器传感器原理及应用变极距型传感器第5章电容式传感器传感器原理及应用变面积型传感器第5章电容式传感器传感器原理及应用变介质型传感器第5章电容式传感器传感器原理及应用5.1工作原理和结构电容量为dAc第5章电容式传感器传感器原理及应用图5-1电容式传感元件的各种结构形式第5章电容式传感器传感器原理及应用分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。5.1.1变极距型电容传感器初始电容量C0为0100dAc第5章电容式传感器传感器原理及应用图5-2变极距型电容式传感器第5章电容式传感器传感器原理及应用电容传感器输出特性变极距型（σ）0rssC00sC初始电容00CCC当减小时电容C增加CσεΔσC0σσCΔC第5章电容式传感器传感器原理及应用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C1=C0+ΔC=2020000)(1)1(1ddddcddAr第5章电容式传感器传感器原理及应用传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,是双曲线关系。C1与Δd近似呈线性关系,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。0001ddCCC当Δd/d0＜＜1，则有第5章电容式传感器传感器原理及应用图5-3电容量与极板间距离的关系第5章电容式传感器传感器原理及应用d0较小时,使传感器灵敏度提高。d0过小,容易引起电容器击穿或短路。极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质,此时电容C000ddAcgg第5章电容式传感器传感器原理及应用图5-4放置云母片的电容器第5章电容式传感器传感器原理及应用有了云母片,极板间起始距离可大大减小。使传感器的输出特性的线性度得到改善。第5章电容式传感器传感器原理及应用5.1.2变面积型电容式传感器图5-5变面积型电容传感器原理图第5章电容式传感器传感器原理及应用00()rbCCCaxd第5章电容式传感器传感器原理及应用为初始电容。电容相对变化量为axcc0传感器C与水平位移Δx是线性关系。0000rbCd第5章电容式传感器传感器原理及应用电容式角位移传感器:当动极板有一个角位移θ,与定极板间的有效覆盖面积就改变,从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时,则第5章电容式传感器传感器原理及应用图5-6电容式角位移传感器原理图第5章电容式传感器传感器原理及应用当θ≠0时,则电容量C与角位移θ呈线性关系。010000(1)rCCSCd第5章电容式传感器传感器原理及应用5.1.3变介质型电容式传感器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,变换器电容值为dDhHdDhcln)(2ln21dDhdDHln)(2ln21第5章电容式传感器传感器原理及应用图5-7电容式液位变换器结构原理图第5章电容式传感器传感器原理及应用dDhcln)(210C0=此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。dDHln2第5章电容式传感器传感器原理及应用相对介电常数为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。传感器总电容量C为0200021)(1dLLLbcccrr第5章电容式传感器传感器原理及应用若电介质εr1=1,当L=0时,传感器初始电容C0=ε0εr１L0b0/d0。当介质εr2进入极间L后,电容的相对变化为第5章电容式传感器传感器原理及应用εdσ动片图5-8变介质型电容式传感器第5章电容式传感器传感器原理及应用0000)1(2LLcccccr电容的变化与电介质εr2的移动量L呈线性关系。第5章电容式传感器传感器原理及应用电容传感器输出特性变介电常数式（ε）测液位高度（根据液体容器的形状计算）第5章电容式传感器传感器原理及应用5.2灵敏度及非线性大家知道,除变极距型电容传感器外,其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之间的关系均为线性的,所以只讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。由式（5-3）可知,电容的相对变化量为00011ddddCC第5章电容式传感器传感器原理及应用当1/0dd时，则上式可按级数展开，...]1[3020000ddddddddcc第5章电容式传感器传感器原理及应用当Δd/d01时，略去高次项,得到近似的线性：00ddcc灵敏度001ddCCK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。第5章电容式传感器传感器原理及应用考虑级数展开式中的线性项与二次项,则)1(000ddddcc相对非线性误差δ为%100%1002)(00dddddd随着d0的减小而增大。第5章电容式传感器传感器原理及应用为了提高灵敏度,减小非线性误差,采用差动式结构。在差动式平板电容器中,当动极板位移Δd时,电容器C1的间隙d1变为d0-Δd,电容器C2的间隙d2变为d0+Δd,则00211ddcc在Δd/d01时,按级数展开:10011ccdd第5章电容式传感器传感器原理及应用εσ２Ｃ１Ｃ２σ１上静片下静片动片图5-9差动平板式电容传感器结构图第5章电容式传感器传感器原理及应用...])()(1[3020001ddddddcc...])()(1[3020002ddddddcc电容值总的变化量为35120000[22()2()...]dddCCCCddd第5章电容式传感器传感器原理及应用...])()(1[2402000ddddddcc电容值相对变化量为略去高次项，ΔC/C0与Δd/d0的近似呈线性关系：002ddcc第5章电容式传感器传感器原理及应用考虑式中的线性项和三次项,相对非线性误差δ近似为%100)(%100)(2)(22003dddddd电容传感器做成差动式之后,灵敏度提高一倍,非线性误差大大降低了。灵敏度K=2/d0第5章电容式传感器传感器原理及应用并联损耗电阻Rp，串联损耗Rs，电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。5.3电容式传感器的等效电路第5章电容式传感器传感器原理及应用图5－10电容式传感器的等效电路第5章电容式传感器传感器原理及应用它有一个谐振频率，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。第5章电容式传感器传感器原理及应用传感元件的有效电容Ce可由下式求得（为了计算方便，忽略Rs和Rp）：22222221111(1)(1)eeejLjCjCCCLCCLCCCCLCLCLC(5-27)第5章电容式传感器传感器原理及应用式（5－28）表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L的角频率有关，因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。2/1eeCCCCLC(5-28)在这种情况下，电容的实际相对变化量为第5章电容式传感器传感器原理及应用5.4测量电路电容式传感器电容变化值较小,必须借助于测量电路检出微小电容增量,将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。转换电路有调频电路、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。第5章电容式传感器传感器原理及应用5.4.1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。第5章电容式传感器传感器原理及应用调频振荡器的振荡频率为21)(21LCf图5－9调频式测量电路原理图第5章电容式传感器传感器原理及应用当被测信号为0时,ΔC=0,则C=C1+C2+C0,振荡器有一个固有频率f0,f0=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21021])[(21LCCC第5章电容式传感器传感器原理及应用ffLcccf021021])C[(215.4.2运算放大器式电路放大倍数K较大,输入阻抗Zi很高。作为电容式传感器测量电路。由运算放大器工作原理可得第5章电容式传感器传感器原理及应用图5－10运算放大器式电路原理图第5章电容式传感器传感器原理及应用对于平板电容,则Cx=εA/d,代入上式,有dAcUUi0“-”号表示输出电压的相位与电源电压反相。运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。0U（5-33）第5章电容式传感器传感器原理及应用5.4.3、二极管双T型交流电桥图示电路原理图,e是高频电源,提供对称方波,VD1、VD2两个二极管,R1=R2=R,C1、C2为两个差动电容。当传感器没有输入时,C1=C2。电路工作原理如下:第5章电容式传感器传感器原理及应用第5章电容式传感器传感器原理及应用e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,电容C1充电;在负半周出现时,电容C1上的电荷通过电阻R1,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I1。第5章电容式传感器传感器原理及应用e为负半周内,VD2导通、VD1截止,则电容C2充电;在随后出现正半周时,C2通过电阻R2,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I2。I1=I2,方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。第5章电容式传感器传感器原理及应用图5－11二极管双T型交流电桥第5章电容式传感器传感器原理及应用若传感器输入不为0,则C1≠C2,I1≠I2,RL上有信号输出,在一个周期内的平均值为TRIULL10dttItIT)]()([201LR)()()2(212ccfURRRRRRiLLL第5章电容式传感器传感器原理及应用RL已知,［R（R+2RL）/（R+RL）2］RL=M（常数）,则Uo=UifM(C1-C2)第5章电容式传感器传感器原理及应用输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关,且与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后,输出电压Uo是电容C1和C2的函数。第5章电容式传感器传感器原理及应用高频方波信号源，通过一环形二极管电桥，对被测电容进行充放电。5.4.4环形二极管充放电法第5章电容式传感器传感器原理及应用图5－14环形二极管电容测量电路原理图第5章电容式传感器传感器原理及应用输入方波加在电桥的A点和地之间，Cx为被测电容，Cd为调零电容，C为滤波电容，A为直流电流表。电桥变化过程如下：第5章电容式传感器传感器原理及应用当输入的方波由E1跃变到E2时，电容Cx和Cd两端的电压由E1充电到E2。在充电过程中，VD2、VD4处于截止状态。在这段时间内由A点向C点流动的电荷量为q1＝Cd(E2一E1).第5章电容式传感器传感器原理及应用当输入的方波由E2返回到E1时，Cx、Cd放电，两端的电压由E2下降到E1.在放电过程中，VD1、VD3截止。在这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2＝Cx(E2-E1)。第5章电容式传感器传感器原理及应用由C点流向A点的平均电流为I2＝Cxf(E2-E1)A点流向C点的平均电流为I3＝Cdf(E2-E1)，流过此支路的瞬时电流的平均值为I＝Cxf(E2-E1)-Cdf(E