第2章4电容式传感器

电容式传感器第一节工作原理与类型两平行极板组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为SC一、工作原理将被测量（如尺寸、压力等）转换成电容量。它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。—极板间介质的介电常数，（0r，08.854Fm-1）当被测量的变化使式中的、S或任一参数发生变化时，电容量C也随之变化。二、类型有变极距型、变面积S型、变介电常数型。（一）变极距型（反比关系）（二）变面积型（正比关系）S随形状不同，可能有不同的表达式。12r/rlnl2CllCr/rlnl2r/rln)ll(2r/rlnl2C0121212（三）变介电常数型随结构不同，关系式不同。灵敏度与非线性与（二）相同。a：串联x0xlbCx0xxx0lb1lb1lb1C1b：并联x12x0120hkArrlnh)(2rrlnh2C12x120x21r/rlnh2r/rln)hh(2CCC第二节转换电路•绝大多数均可用一个纯电容来表示。•在低频时或高温高湿环境下，电容阻抗较大，L和r可忽略。•在高频下电容阻抗变小，L和r不可忽略。一、电容式传感器的等效电路对于任一谐振频率[]以下的频率ff0[一般在f=（1/2~1/3）f0]，传感器才能正常工作。由于L的存在，传感器的等效电容Ce将增加，等效电容的相对变化量也将增加。)LC2/(1f0RCj1LjCj1e202e)f/f(1CLC1CCLC11CCCC2ee由于电容式传感器的电容量一般很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，则由此可见:1.kg将增加到ke，2.ke与传感器的固定电感（包括电缆电感）有关，3.ke随的变化而变化。测量时应与标定时所处的条件相同，即电缆长度不能改变，传感器供电电源频率不能改变。220g22g22eeff1k)LC1(k)LC1/(CCk此时等效灵敏度为二、电桥电路可消除变极距型传感器的非线性，对变面积型也是线性的。2.紧耦合电桥3.变压器电桥CCC01xCCC02x2x1x1x2x2x1x2x2x1x1x0CCCC2UU)21CCC(U21UCj1Cj1Cj1U无非线性误差代入得当0002x01x2UU:SC,SC1.阻抗电桥：三、二极管双T形电路)CC(TURR)R2R(RR)II(RRRRU21E2LLL2C1CLL0T+U-Ut1t2tUiL适用于具有线性特性的单组式和差动式电容传感器。123四、运算放大器电路u0，能克服变极距型电容传感器的非线性，但要求A和Zi足够大。SuCu,SCuCCuCj/1Cj/1u0xxx0得代入将当A较大，输入阻抗Zi较大时，五、调频电路调频振荡器限幅鉴频放大输出C0第三节主要性能、特点和设计要点一、主要性能（一）静态灵敏度1.变极距型（倒数关系）00SC当和则00000001C11SSC即30200000011C1CCCC30200000021C1CCCC静态灵敏度3020000g1CCk3020000g1CCk灵敏度：随而变,不是常数,减小,灵敏度增加。但要注意空气的击穿电压为3kV/mm,云母的击穿电压为103kV/mm。一般取25m~1mm之内，m~零点几mm。2.变面积型（线性关系）120gr/rln2lClCk3.变介电常数型（线性关系）后两种静态灵敏度为常数。（二）非线性气隙型的非线性与电感式相同。为减小非线性取0。为了改善非线性，可采用差动式，灵敏度也提高一倍。如采用容抗XC=1/（C）为输出，则为线性关系，不一定满足0的要求。变面积和介电常数型线性较好，因边缘效应，有一定的非线性。二、特点（与电阻、电感式相比）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，并且具有平均效应，5.高灵敏度和分辨率。缺点：1.输出阻抗高，负载能力差，举一例：圆形平板电容d=40mm，0=0.25mm，U=30V，f=400Hz，起始电容C=44.5pF，容抗Xc=11.1106,Pc=U2C=10-4W，若=0.10，则C=4.45pF。几何尺寸不宜做大，一般为几十到几百皮法，甚至只有几个皮法，因此输出阻抗高，尤其当使用音频电源时，可达106~108，因而负载能力差，且易受外界干扰产生不稳定现象、采用高频供电，可降低输出阻抗，但高频放大、传输远比低频复杂。2.寄生电容影响大由于自身电容比较小，所以电缆电容（1~2m导线可达800pF)、线路的杂散电容以及传感器的内极板与周围导体构成的电容等影响很大。不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。3.输出特性非线性（由于边缘效应和变间隙式自身的非线性）三、设计要点1.减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能。2.消除和减小边缘效应使灵敏度降低，产生非线性。a：适当减小极间距，使极径与间距比很大，但易产生击穿并有可能限制测量范围。b：可采用电极做得极薄使与极间距相比很小的办法来减小边缘电场的影响。c：在结构上增设等位环来消除边缘效应。3.消除和减小寄生电容的影响寄生电容与传感器的电容相并联，不仅影响灵敏度，还要影响精度（它的变化为虚假信号）。可采用下列方法：1）增加原始电容值（又叫寄生电容溺没法）。减小极板间距或极筒间的间距（平板式0.2~0.5mm，圆筒式间距0.15mm）,增加工作面积或工作长度。一般电容值变化在10-3~103pF范围内C/C在10-6~1范围内。2）注意传感器的接地和屏蔽3）集成化：将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。4）采用“驱动电缆技术”（也叫“双层屏蔽等位传输”技术）基本思路：连接电缆采用内外双层屏蔽，使引线与内屏蔽的导线电位相同，这样引线与内屏蔽之间的电缆电容将不起作用，外屏蔽仍接地而起屏蔽作用。在电容值很小时采用此法。原始电容值较大（几百皮法）采用一般的同轴屏蔽电缆。5）采用运算放大器法利用运算放大器的虚地来减小电缆电容Cc的影响。-A~(1+A)CCc-ACc/(1+A)C~-A~C仪器地大地与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cc/（1+A），实际上这是一种不完善的“驱动电缆”，结构较简单。6）整体屏蔽4.防止和减小外界干扰1）屏蔽和接地：用良导体做传感器的壳体，将传感元件包围起来，并可靠接地。2）增加原始电容值，降低容抗。3）导体与导线远离，尽量短，最好直角排列，平行时用同轴屏蔽线。4）尽量一点接地，避免多点接地。地线要用粗良导体或宽印刷线。5.尽量采用差动式可减小非线性误差，提高传感器的灵敏度，减小寄生电容的影响和减小干扰。第三节电容式传感器的应用电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A和极间介电常数。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。一、电容式液位计棒状电极（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。聚四氟乙烯外套液位限位传感器的设定智能化液位传感器的设定方法十分简单：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二、硅微加工加速度传感器图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲。微加工三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5mm，线性误差：≤1%硅微加工加速度传感器原理1—加速度测试单元2—信号处理电路3—衬底4—底层多晶硅（下电极）5—多晶硅悬臂梁6—顶层多晶硅（上电极）利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将ΔC转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。装有传感器的假人气囊汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。三、湿敏电容利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型