传感技术及应用电容式传感器

第四章电容式传感器第四章电容式传感器电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构的参数之间的关系。§4-1电容式传感器的工作原理工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量实质上相当于具有可变参数的电容器应用范围:位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量第四章电容式传感器两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，它的电容量为:+++δS当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。0rSSC分类示意图c)介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++a)极距变化型;+++0rSSCdd第四章电容式传感器第四章电容式传感器变面积型电容传感器baδΔx设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动△X，则面积S发生变化，电容量也改变。（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数）第四章电容式传感器线位移单组式差动式平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。第四章电容式传感器l：外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度r2，r1：外圆筒内半径与内圆柱外半径021212122()2ln(/)ln(/)ln(/)lllllCCrrrrrrl212ln(/)lCrr可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。①增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；②极板宽度a的大小影响灵敏度，但不能太小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；③△X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器特性产生非线性变化。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。第四章电容式传感器被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。3、变介电常数型电容传感器（主要测量厚度、液位、介质的温度和湿度等）第四章电容式传感器δd面积S气隙0r可见：①若厚度d保持不变，介电常数εr改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；②若εr不变，可做成测厚传感器δεS动极板定极板若极板间距减小△δ，则电容将增大△C。第四章电容式传感器变极板间距型电容传感器01CC第四章电容式传感器时，展开为级数形式2301CC1因，忽略高次项0CC1上式表明，在条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。第四章电容式传感器①欲提高灵敏度，应减小间隙δ，但受电容器击穿电压的限制；②非线性随相对位移的增加而增加，为保证一定的线性度，应限制动极板的相对位移量。③为改善非线性，可以采用差动式。0.02~0.1第四章电容式传感器§4-2转换电路转换线路是电容传感器的一个重要组成部分，其主要作用为：①给电极提供一个合适的激励源，以便在形成的电场中实现能量变换；②检测出电场能量的变化，形成可供使用的电信号；③在可能条件下，实现传感器特性的线性化处理与信号变换。第四章电容式传感器电容传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容；CP为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容；Rg是极间等效漏电阻。低频等效电路；高频等效电路。rC0CpRgL（1）交流电桥3.4测量电路14231234()()scZZZZUUZZZZ03241ZZZZ4321ZZZZ平衡条件为将电容传感器接入电桥的一个臂，构成不平衡电桥。为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、0.1，输出信号相移有0°、±90°、±180°。高频交流正弦波供电电桥输出调幅波，要求其电源电压波动小通常处于不平衡状态，需要采用自动平衡电桥输出阻抗高，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路交流电桥主要特点（2）二极管双T形电路电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2当UE为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,于是电容C1充电;在随后负半周出现时,电容C1上的电荷通过电阻R,负载电阻RL放电,流过RL的电流为。在负半周内,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R,负载电阻RL放电,流过RL的电流为。根据上面所给的条件,则电流=,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。1ci2ci1ci2ci3.4测量电路同理，负半周时电容C1的平均电流:在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2T/2时,电流iC2的平均值IC2可以写成下式：22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLcTcC1121CURRRRTIELLC故在负载RL上产生的电压为：212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLL电容C2上的电流：电路特点：①线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；③输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。运算放大器式电路特点：能够克服变极距型电容式传感器的非线性。将Cx=代入上式得-A～uoCCxu∑运算放大器式电路原理图负号表明输出与电源电压反相。显然，输出电压与电容极板间距成线性关系，这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=∞，输入阻抗Zi=∞，因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。uCCuCjCjuxx1)(10/)(SSuCu03.4测量电路调频电路3.4测量电路012fLC调频振荡器限幅鉴频放大3.5主要性能和设计要点（一）主要性能1、静态灵敏度被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。对于变极距型其静态灵敏度kg为/110CCKg对于圆柱形变面积型电容式传感器，其静态灵敏度为：120/ln2rrlClCkg变面积型差动式线位移电容式传感器，其静态灵敏度为121212/ln4//ln2/ln2rrlrrllrrlllCKg结论：1.变极距型电容式传感器常工作在一个较小的范围内（1cm至零点几mm），而且∆δ最大应小于极板间距δ的1/5～1/10。只有当(∆δ/δ1时，略去各非线性项后才能得到近似线性关系为C＝C0(∆δ/δ)。δ取值不能大，否则将降低灵敏度。/1100CCC2、非线性对变极距型电容式传感器，当极板间距变化时，其电容量的变化：321CC采用差动形式，并取两电容之差为输出量∆C：42012CC2.差动式的非线性得到很大改善，灵敏度也提高了一倍。第四章电容式传感器电容传感器的特点优点:1、温度稳定性好：自身发热极小，电容值与电极材料无关，有利于选择温度系数低材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。2、结构简单,适应性强：可以做的非常小巧。能在高温，低温，强辐射，强磁场等恶劣环境中工作。3、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，固有频率能做的很高。动态响应好。可测量振动、瞬时压力等。4、可以实现非接触测量,具有平均效应：非接触测量回转工件的偏心、振动等参数时，由于电容具有平均效应，可以减小表面粗糙度对测量的影响。5、耗能低第四章电容式传感器缺点:1、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几百皮法，输出阻抗很大，易受外界的干扰，对绝缘部分的要求较高（几十兆欧以上）。2、寄生电容影响大：由于电容传感器的初始电容值一般较小，而连接传感器的引线电缆电容（1~2m导线可达到800pF），电子线路杂散电容以及周围导体的“寄生电容”却较大。这些电容一般是随机变化的，将使仪器工作不稳定，影响测量精度。因此，在设计和制作时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的影响。第四章电容式传感器1．减小温度对电容式传感器的影响,保证绝缘材料的绝缘性能设计要点环境温度的改变将引起电容式变换器各零件几何尺寸的改变，从而导致电容极板间隙或面积发生改变，产生附加电容变化。这一点对于空间隙电容式传感器来说更显重要，因为初始间隙都很小，约几十微米至几百微米之间。温度变化使各零件尺寸变化，可能导致对本来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的特性温度误差。第四章电容式传感器为减小这种误差①一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。如绝缘材料采用石英、陶瓷等，金属材料选用低膨胀系数的镍铁合金。或极板直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。②采用差动对称结构，并在测量线路中对温度误差加以补偿。2．消除和减小边缘效应(1).适当减小极间距;(2).可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带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场（1）增加传感器原始电容值（2）注意传感器的接地和屏蔽；（3）集成化（4）采用“驱动电缆”技术（5）采用运算放大器法；（6）整体屏蔽法原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外周不影响工作。绝缘体屏蔽壳固定极筒可动极筒连杆导杆接地屏蔽圆筒形电容式传感器示意图（2）注意传感器的接地和屏蔽原理图第四章电容式传感器测量电路前置级+−1:1内层屏蔽外层屏蔽Cx在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。④.采用“驱动电缆”技术等电位屏蔽法第四章电容式传感器⑤.采用运算放大器法所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等）统一屏蔽起来，其关键在于正确选取接地点。u0与传感器电容相并联的为等效电容CP/（1+A）⑥.整体屏蔽-ACCxu∑～～C1C2CP1CP2Z3Z4-A四防止和减小外界干扰第四章电容式传感器注意传感器的接地和屏蔽增加原始电容值，降低容抗导线分布合理尽可能一点接地尽量采用差动式电容传感器电容式位移传感器第四章电容式传感器量程精度分辨力变极距型0.01~几百微米0.01m0.001m变面积型零点几~几百毫米优于0.5%0.01~0.001m电容式传感器的应用该传感器是一种非接触式的电容位移传感器；两个传感器板形成一个平行板电容器；纳米分辨率；零磁滞。应用领域：压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。特点：－量程20～1250μm；－分辨率0.1nm；零磁滞；－线性最高0.02%；－频带可调：50～5000Hz；灵敏度