3.电容式传感器

第3章电容式传感器概述第3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示例概述第3章电容式传感器各种电容式传感器示例飞机油量检测炸弹延时起爆电容式加速度传感器概述第3章电容式传感器各种电容式传感器示例硅微电容式传感器测量管道液位高度概述第3章电容式传感器电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一。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。概述与电阻式、电感式传感器相比的优点：第3章电容式传感器1.测量范围大：相对变化量可达100%。2.灵敏度高：可达10-7。3.动态响应时间短：可动部件质量小，固有频率高，适合于动态信号的测量。4.机械损失小：电极间引力小，无摩擦，热效应小，因此，精度高。5.结构简单，适应性强：金属做电极，无机材料绝缘支撑，能承受大的温度变化和强辐射，适合于恶劣环境工作。概述与电阻式、电感式传感器相比的不足之处：第3章电容式传感器1.寄生电容影响大：导线电容、泄露电容。降低了灵敏度，非线性输出，甚至不稳定。2.当用变间隙原理进行测量时，具有非线性输出特性。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。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。电容式传感器3.1电容式传感器的工作原理3.2电容式传感器的测量电路3.3电容式传感器的误差分析3.4电容式传感器的应用示例第3章电容式传感器3.1工作原理第3章电容式传感器d两个平行极板组成一个电容器，若忽略边缘效应，它的电容量C应为：0rSSCddε——极板间介质的介电系数；ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；εr——极板间介质的相对介电常数.对于空气介质，εr≈1。S——极板间相互覆盖面积（m2）；d——极板间距离（m）；3.1工作原理第3章电容式传感器0rSSCdd电容式传感器变极板间距型变面积型变介电常数型等式右边的三个参数改变任何一个都可以使电容值C发生变化。这就是电容传感器的基本工作原理。变面积型电容传感器3.1基本工作原理θ定片动片（a）角位移式，00SCd0rSCd0，0(1/)CC因此，C与角位移呈线性关系。变面积型电容传感器3.1基本工作原理0rSSCdd当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S，电容量C同样随之变化。b）直线位移式0x，0abCd0x，00()1xbaxbCCxddxCa因此，xC与位移x呈线性关系。变面积型电容传感器3.1基本工作原理b）直线位移式θ定片动片（a）角位移式0(1/)CC01xxCCa灵敏度系数0CK灵敏度系数0CKa变面积型电容传感器不论是角位移式还是直线式，传感器的电容值都与引起遮盖面积变化的因素（转角θ或直线位移x）呈线性关系。且灵敏度系数K与初始电容C0呈正比。变面积型电容传感器3.1基本工作原理这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。初始电容C0为：10002DDlnLC000121lnxLxxCCDLD当内筒上移x时，内外筒间的电容Cx为：D1D0Lx与x成线性关系。变介质型传感器变介质型电容传感器3.1基本工作原理变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。SCd变介质型电容传感器3.1基本工作原理变介质型电容传感器3.1基本工作原理1222122lnlnhhhCRRrr112122ln;hCRhRrhhr、是同心圆的半径右图相当于两个电容器的并联，1、2为筒状极板。上面的电容器以ε2为介质，下面的电容器以ε1为介质。12CCC电容液位计原理图变介质型电容传感器3.1基本工作原理121211122122lnln22lnlnCCChhhRRrrhhRRrr22,lnhARr令122lnKRr1CAKh则其中,A为常数，K为灵敏度系数电容C与液位h1之间呈线性关系.例某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的εr＝2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L).解：pFmmpFrrHC46.415ln2.1)/85.8(2ln2120minpFpFrrHCr07.872.146.41ln2120maxLmmHdV6.2352.14)5.0(422LpFLpFpFVCCK/19.06.23546.4107.87minmax变介质型电容传感器3.1基本工作原理右图相当于两个电容串联，这两个电容只有面积S相同：010101103.6CCSCCCdd001101;SSCCdd电容C与极板距离d或介电常数之间都不是线性关系。当d0、d1不变时，可用来测量介质的介电常数ε1；即介电常数测量仪。当ε0、ε1不变时，可用来测量d1距离，即作为测厚仪。变极板间距型电容传感器3.1基本工作原理0rssCdd00sCd初始电容0ddd0CCC当减小时电容C增加dC0ddΔdC0d0dCΔC变极板间距型电容传感器3.1基本工作原理当时，用泰勒级数展开01dd2300000[1()()]CddddCdddd0001ddCdCd电容相对变化0001CsCdddd00sCd变极板间距型电容传感器3.1基本工作原理00sCd忽略高次项00CdCd即当(一般取0.02-0.1)时，电容的相对变化量ΔC与极板间距离变化量近似呈线性关系。01.0dd0200CCSKddd传感器灵敏度0*100%dd非线性误差变极板间距型电容传感器3.1基本工作原理00sCd0200CCSKddd传感器灵敏度0*100%dd非线性误差d0越小，灵敏度系数K越高；而d0减小又使非线性误差δ增大。差动式电容传感器3.1基本工作原理为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。差动式电容传感器3.1基本工作原理1020;SCddSCdd上下两部分的初始电容：00SCd上移后：d23100001dddCCddd23200001dddCCddd展开：差动式电容传感器3.1基本工作原理差动式电容传感器的输出为：12300022CCCddCdd002CdCd非线性误差为：32000100%dddddd略去高阶无穷小：差动式电容传感器3.1基本工作原理002CdCd32000100%dddddd结论：差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍非线性误差可以减小一个数量级。3.2电容式传感器的测量电路第3章电容式传感器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。由于作为传感器在功能和结构上的要求，电容式传感器不是理想电容。电容式传感器中除了有电容之外，还存在着串、并联电阻，以及串联电感等。一、等效电路3.2测量电路Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。电容式传感器的等效电路一、等效电路3.2测量电路电容式传感器的等效电路由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，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。电容式传感器的等效阻抗为：222222211PPCSPPRRCZRjLRCRC激励电源角频率一、等效电路3.2测量电路222222211PPCSPPRRCZRjLRCRC在前页式中，RS很小，RP很大,均可忽略。电路的等效容抗为：222EE2200111111/122jLCLCjLjjCjCjCCCCCLCffffLC式中：；E22E0EE01111/11,~32CCCCLCCCfffCCfCC一般情况下电容的相对变化量为：激励电源频率电路谐振频率一、等效电路3.2测量电路E22E0EE01111/11,~32CCCCLCCCfffCCfCC一般情况下电容的相对变化量为：由上式可见，电容传感器的等效电容与激励电源的频率有关，还与电路自身的谐振频率有关，而影响谐振频率的重要因素是电感L，它与电容传感器的连接导线等因素有关，所以电容传感器在实际使用时必须保持与标定时的状态是完全一致的。二、测量电路3.2测量电路电容式传感器的电容非常小（pF）级的，需要用专门的电路进行转换，成比例地将它变成电压、电流或频率信号供给或远传给后续装置显示、记录及运算等。(二)测量电路二、测量电路(一)交流不平衡电桥(二)变压器电桥(三)二级管环形检波电路(四)差动脉宽调制电路(五)运算法测量电路(一)交流不平衡电桥二、测量电路初始阻抗设计成：1423ZZZZ31SC1234ZEUZ+ZZZZZZ要找到输出电压SCU1ZZ12ZZ与桥臂阻抗相对变化量以及桥臂阻抗比的关系：SC1112122311242ZZE=EU111ZZZZZZZZZZZZ(一)交流不平衡电桥二、测量电路令：为传感器阻抗相对变化量1Z,Z12A,ZZ为测量电桥的桥臂比；1A2K221A112ZZZZ为桥臂系数；SC1122212ZEU11ZZZAEKEAZZ(一)交流不平衡电桥二、测量电路1ZZ阻抗、电容及位移等的相对变化量之间有：111ZCdZCd∴可认为β为实数。桥臂比A、桥臂系数K以及交流激励电源都是复数：121122jjjZeZAaeZZe其中：12ZaZ11(一)交流不平衡电桥二、测量电路jAae12ZaZ11∴AK(,)21Ajkefa其中：k和分别是桥臂系数的模和相角：12K(,)12cosakfaaa2122(1)sinarctan(,)2(1)cosafaaa(一)交流不平衡电桥二、测量电路2K12cosakaaSCUKEKjke12ZaZ11在和E一定的情况下，要提高桥的灵敏度，就要保证：1a即，12ZZ同时尽可能使大。(一)交流不平衡电桥二、测量电路212(1)sinarctan2(1)cosaaaSC