第4章电容式传感器2011

2006-9-11传感器原理与应用第四章电容式传感器CapacitiveSensors本章具体介绍有关热电式传感器方面的理论知识及结构和应用。学时数2学时。2011-012传感器原理与应用第4章电容式传感器一、学习要点：电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。优点：结构简单、高分辨力、可非接触测量，并且可在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下正常工作。缺点：易受干扰和寄生电容的影响，但随计算机技术和集成电路技术的发展，而前途光明。1．电容式传感器的工作原理；2．电容式传感器应用中存在的问题及其改时措施。二、学习内容2011-013传感器原理与应用第4章电容式传感器§4-1电容式传感器工作原理、结构及特性(PrincipleStructureandProperty)一、工作原理电容的定义式：ACr0其中为真空介电常数；为极板间介质的相对介电常数；0rA为极板的有效面积；δ为两极板间的距离。从式中我们发现，若使式中δ、A、三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，然后再通过测量电路就可转换为电量输出。r电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。2011-014传感器原理与应用第4章电容式传感器变极距型电容传感器原理图二、类型1、变极距型电容传感器变极距型是改变极距δ而来，其它一定。电容量和极距δ成反比关系，故成非线性。其初始电容量000ACr2011-015传感器原理与应用第4章电容式传感器当，则，即0CCC000000/11CACCr→1000)1(CCA．若满足条件，则按级数展开后略去高次（非线性）项，可得：1)/(000CC灵敏度20000ACCSr2011-016传感器原理与应用第4章电容式传感器变极距型电容传感器结构原理图2011-017传感器原理与应用第4章电容式传感器C＝f(δ)特性曲线图变极距型电容传感器的非线性特性2011-018传感器原理与应用第4章电容式传感器B．若考虑式中的线性项及2次项，则)1(0000CC则其相对非线性误差为：fe%100/%100/)/(0020fe讨论可知：（1）只有在很小时，才有近似的线性输出；（2）灵敏度S与初始极距的平方成正比，故可用减小的办法来提高灵敏度，但的减小会导致非线性误差增大，且过小还可能引起电容器击穿或短路。0/00002011-019传感器原理与应用第4章电容式传感器由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01um的线位移，因此在微位移检测中应用最广。具有固体介质的变极距型电容传感器变极距型差动式结构0针对的减小和过小问题：A、采用高介电常数的材料作介质；B、采用差动结构，可比单极式灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小，同时结构上的对称性，还能有效地补偿温度变化所造成的误差。2011-0110传感器原理与应用第4章电容式传感器2、变面积型电容传感器00000)(bllCCCr变面积型电容传感器原理图(a)单片式；(b)中间极移动式2011-0111传感器原理与应用第4章电容式传感器得电容的相对变化量为0llCC其输出特性呈线性，故其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移，其灵敏度为000blCSr为了减小初始极矩导致的测量误差，可使用中间极移动结构。0其与变极距型相比，灵敏度较低，故在实际应用中也采用差动式结构，来提高灵敏度，可参看图示。2011-0112传感器原理与应用第4章电容式传感器变面积型电容传感器结构原理图2011-0113传感器原理与应用第4章电容式传感器变面积型差动式结构(a)扇形平板结构；(b)柱面板结构变面积式电容传感器的新品种：容栅传感器分为长容栅和圆容栅，分辨力高，量程大，见下图2011-0114传感器原理与应用第4章电容式传感器容栅传感器结构原理图和C-x关系曲线2011-0115传感器原理与应用第4章电容式传感器3、变介质型电容传感器])([20100021lllbCCCrr变介质型电容传感器(a)电介质插入式；(b)非导电流散材料物位的电容测量2011-0116传感器原理与应用第4章电容式传感器得llCCCCCr02001（若＝1）1rA．可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度；B．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等。变介电常数型电容传感器结构原理图2011-0117传感器原理与应用第4章电容式传感器§4-２应用中存在的问题及其改进措施(CharacteristicsandProblemsinApplication)一、特点1、优点Ⅰ.温度稳定性好：电容值一般与电极材料无关。Ⅱ.结构简单其结构简单，易于制造，易于保证高的精度。Ⅲ.动态响应好其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。Ⅳ.可以实现非接触测量，具有平均效应2011-0118传感器原理与应用第4章电容式传感器2、缺点Ⅰ.输出阻抗高，负载能力差其容量受其电极的几何尺寸等限制，一般只有几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108～106Ω。故传感器的负载能力很差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大不便。Ⅱ.寄生电容影响大其初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（1～2m导线可达800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断地得到克服。2011-0119传感器原理与应用第4章电容式传感器二、应用中存在的问题1、等效电路因为实际的电容传感器的特性分析不能在纯电容的条件下进行，而若考虑电容在高温、高湿及高频激励条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时，其等效电路：电容传感器的等效电路2011-0120传感器原理与应用第4章电容式传感器Rs为高温、高湿、高频激励工作时的串联损耗电阻，包括导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；Cp为寄生电容，其是提高电容传感器实用性能的关键之一。图中C为传感器电容，Rp为低频损耗并联电阻；包括极间漏电和介质损耗；L的存在（特别是高频激励时），使变化，LCwCCe21导致有效灵敏度22)1(LCwSSe即要注意：每当改变激励频率或更换传输电缆时都必须对测量系统重新标定。2011-0121传感器原理与应用第4章电容式传感器2、边缘效应实际使用时，当极板厚度h与极距δ之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略。边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。措施：A．采用带有保护环的结构，如同心、等电位B．减小极板厚度。在用石英或陶瓷等非金属材料上蒸涂一薄层金属作为极板。)(116ln20hfrrrCr2011-0122传感器原理与应用第4章电容式传感器保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间工作区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应的影响。带有保护环的电容传感器结构原理图2011-0123传感器原理与应用第4章电容式传感器3、静电引力其大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关，通常很小。4、寄生电容因电容式传感器属小功率、高阻抗器件，极易受外界干扰，尤其电缆寄生电容的干扰，其与传感器电容相并联，严重影响输出特性，故消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键，几种常用方法：（1）驱动电缆法：实际上是一种等电位屏蔽法。使内屏蔽与芯线等电位，消除芯线对内屏蔽的容性漏电，而内、外层屏蔽间的电容变成了戏驱动放大器的负载。见图示。2011-0124传感器原理与应用第4章电容式传感器1：1＋－测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器“驱动电缆”技术原理图2011-0125传感器原理与应用第4章电容式传感器～交流电容电桥的屏蔽系统C1C2CP1CP2Z3Z4-A接地屏蔽圆筒形传感器示意图（2）整体屏蔽法将整个电桥（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。影响基本上被消除，但将使总体结构复杂化。见图示。（3）采用组合式与集成技术2011-0126传感器原理与应用第4章电容式传感器5、温度影响输出相对被测输入量的单值函数关系：(1)温度对结构尺寸的影响：材料线胀系数的匹配在设计电容式传感器时，适当选择材料及有关结构参数，可以满足温度误差补偿要求。(2)温度对介质的影响：介电常数温度系数。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。故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差。2011-0127传感器原理与应用第4章电容式传感器§4-3测量电路(MeasurementCircuits)一、电桥电路1．一般电桥电路：如图a-f从电桥灵敏度考虑，在图示(a)-(f)中，以(f)形式为最高，(d)次之。在设计和选择电桥形式时，还应考虑输出电压是否稳定、输出电压与电源电压间的相移大小、电源与元件所允许的功率以及结构上是否容易实现等。电桥电路系统方框原理图2011-0128传感器原理与应用第4章电容式传感器电容式传感器构成交流电桥的一些形式2011-0129传感器原理与应用第4章电容式传感器3．变压器电桥：如上图(h)变压器电桥02UUo对变极距型差动电容传感器的变压器电桥，在负载阻抗极大时，其输出特性呈线性。2．紧耦合电感电桥：如上图(g)2011-0130传感器原理与应用第4章电容式传感器将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。2011-0131传感器原理与应用第4章电容式传感器特点：①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。2011-0132传感器原理与应用第4章电容式传感器二、双T二极管变流电桥C2UE(b)ＵｏRRRLC2C1VD1VD2iC1iC2++－＋±UE(a)C1C1C2UERLRLRRRR++++iC1iC2i’C1i’C2)()()2(212__CCUfRRRRRRULLLL本电路适用于各种电容式传感器。2011-0133传感器原理与应用第4章电容式传感器电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。22expCRRRRRtRRRRRURRRUiLLLLELLEC其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下：2011-0134传感器原理与应用第4章电容式传感器电路特点：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