传感器原理及应用-第5章 - 电容式传感器

电容器特性被测非电量电容值测量电路U、I、f第五章电容式传感器电容式传感器的定义以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。电容式传感器的感测量位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。电容式传感器的种类根据结构形式：变极距型、变面积型和变介质型。第五章电容式传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构§5.2电容式传感器等效电路§5.3电容式传感器测量电路§5.4电容式传感器应用ε电容极板间介质的介电常数，ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；A两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间的距离。两个平行金属板组成的平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为一、基本工作原理§5.1电容式传感器工作原理和结构dAdACr0d极板1极板2被测参数变化A、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。仅改变一个参数，该参数的变化可转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器的三种类型：变极距型、变面积型和变介电常数型。一、基本工作原理§5.1电容式传感器工作原理和结构若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd，电容量增大了ΔC，则有二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构200000000111ddddCddCddSCCCrΔd/d01时，1-(Δd/d0)2≈1，则000ddCCCC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，才有近似的线性关系。1、基本输出特性电容的相对变化量为二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构0001ddCdCd当|Δd/d0|1时，级数展开有输出电容的相对变化量与输入位移之间成非线性关系。传感器的相对非线性误差：2、非线性特性30200001ddddddddCC%100%100|/|)/(0020dddddd电容传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构001/ddCCK3、灵敏度单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。当|Δd/d0|1时有近似线性关系2、非线性特性00ddCC要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之间，极板间距离在25~200μm的范围内。最大位移应小于间距的1/10。变极距电容式传感器在微位移测量中应用最广。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，则二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。4、差动式结构002001/11/11ddCCddCC动极板定极板定极板C1d1C2d2电容值相对变化量为二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构40200012ddddddCC略去高次项，则ΔC/C0与Δd/d0近似线性关系为电容值总的变化量为4、差动式结构503000212ddddddCCCC动极板定极板定极板C1d1C2d2002ddCC差动式传感器的灵敏度为二、变极距型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构差动式传感器的相对非线性误差近似为4、差动式结构%100%100|/|2|)/(|220030dddddd动极板定极板定极板C1d1C2d2002/ddCCK差动式结构的电容传感器非线性误差大大降低，灵敏度增加了一倍。两种常用变面积型电容传感器：线位移式和角位移。三、变面积型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构axCCCCC000传感器的电容量与水平位移呈线性关系。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积改变，产生电容量的变化。当动极板相对于定极板平移Δx时，则电容相对变化量为1、平行平板线位移式初始电容C0为三、变面积型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构LaCCCCC000传感器的电容量与内筒线位移呈线性关系。当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a时，内外筒间的电容相对变化量为2、同轴圆筒线位移式DdLadDLCln20初始电容C0为三、变面积型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构000CCCCC传感器的电容量与角位移呈线性关系。当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。电容相对变化量为3、角位移式000dAC设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为d；被测物的厚度和介电常数分别为dx和ε,则四、变介质型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构传感器的电容量与被测量物体的厚度和介电常数有关。当介电常数一定时，通过传感器电容量的变化测量物体的厚度。1、单组平板厚度式电容传感器0321xxdddabCCCCdx设极板宽度为b，板间无介质ε2时，传感器的电容量四、变介质型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构121221111ddxlbddbxCCCBA传感器的电容量与位移呈线性关系。插入介质ε2后的电容量2、单组平板位移式电容传感器2110ddblCd2ε1CBld1ε2xCACACBC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，变换器电容值为四、变介质型电容传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构变换器的电容增量正比于被测液位高度。3、测量液位圆筒式电容传感器111022()112()2()2111hHhCDDnnddhhHCDDDnnndddC2C1C第五章电容式传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构§5.2电容式传感器等效电路§5.3电容式传感器测量电路§5.4电容式传感器应用考虑了电容器的损耗和电感效应，电容式传感器的等效电路。一、电容式传感器等效电路§5.2电容式传感器等效电路根据等效电路，电容式传感器有一个谐振频率，通常为几十兆赫。当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏传感器正常作用。因此，工作频率应该选择低于谐振频率。并联损耗电阻Rp：表示极板间的泄漏电阻和介质损耗。并联损耗低频时影响大，随着工作频率增高，容抗减小，影响就减弱。串联损耗电阻Rs：引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。电感L：电容器的电感和外部引线电感。第五章电容式传感器§5.1电容式传感器工作原理和结构§5.2电容式传感器等效电路§5.3电容式传感器测量电路§5.4电容式传感器应用与电感传感器不同，电容传感器中电容值和电容变化量都十分微小，难以直接为仪表所显示和记录。因此，需要一些测量电路检测出电容的微小变化量，并转换成相应的电压、电流或频率输出。一、调频式测量电路§5.3电容式传感器测量电路常用测量电路：调频电路、运算放大器电路、二极管双T形交流电桥、环形二极管充放电电路、脉冲宽度调制电路等。CxΔf振荡器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鉴频器调频测量电路中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。若用频率直接作为测量系统的输出量，来判断被测非电量的大小，具有非线性、不易校正等问题。因此，加入鉴频器，频率变化转换为电压振幅变化来输出。调频振荡器的振荡频率为一、调频式测量电路§5.3电容式传感器测量电路调频测量电路具有较高的灵敏度，可测量高至0.01μm级位移变化量。信号输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可实现遥测遥控。当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率变化为LCf21振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，C1为振荡回路固有电容,C2为传感器引线分布电容,Cx=C0±ΔC为传感器的电容。当被测信号为0时，ΔC=0，则振荡器有一个固有频率为LCCCf)(210210ffLCCCCf0021)(21运算放大器的放大倍数大，输入阻抗高,可作为电容式传感器的理想测量电路。二、运算放大器测量电路§5.3电容式传感器测量电路运算放大器电路输出电压为cxicxcbxcxcbiIIIICjIUCjIU0;ixoUCCU测量电路输出电压的相位与电源电压的反相。设Cx为电容式传感器电容；Ui是交流电源电压;Uo是输出信号电压;Σ是虚地点。运算放大器输入电流可认为零，根据克希荷夫定律有平行平板电容传感器，则二、运算放大器测量电路§5.3电容式传感器测量电路实际上运算放大器测量电路仍然存在一定的非线性。为保证仪器精度，除了要求运算放大器阻抗和放大倍数足够大外，还要求电源电压的幅值和固定电容值非常稳定。dACxdACUUio运算放大器的输出电压与极板间距离成线性关系。在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下，运算放大器电路解决了变极距型电容传感器的非线性问题。二极管双T形交流电桥电路中，e为高频电源，提供了幅值为U的对称方波，VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管，R1、R2为阻值相等的两个固定电阻，C1、C2为传感器的两个差动电容。三、二极管双T形交流电桥§5.3电容式传感器测量电路（1）传感器没有输入C1=C2当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，则电容C1充电至U。在前负半周时，电容C2已经充电至电压U。1、电路基本结构2、基本工作原理三、二极管双T形交流电桥§5.3电容式传感器测量电路（1）传感器没有输入时C1=C2电容C1以I1向RL供电，而电容C2经电阻R2和负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。流过RL的总电流IL为I1和I2的代数和。2、基本工作原理同理，当e为负半周时，流过负载电阻RL的电流为I’1和I’2的代数和。根据所给的条件，在一个周期内流过负载电阻上平均电流I1=I2、I’1=I’2且方向相反，流过RL的平均电流为零。三、二极管双T形交流电桥§5.3电容式传感器测量电路（2）传感器有输入时C1≠C2若传感器输入不为0，则C1≠C2,I1≠I2,在一个周期内通过RL上的平均电流不为零。因此，输出电压在一个周期内平均值为2、基本工作原理)()()2()]()([121021CCUfRRRRRRRdttItITRIULLLLTLLo输出电压既与电源幅值和频率f有关，又与电容C1和C2的差值有关。三、二极管双T形交流电桥§5.3电容式传感器测量电路（2）传感器有输入时C1≠C2当RL一定时，引入常数M，在一个周期内输出电压平均值可简写为2、基本工作原理)(21CCMUfUo当电源确定后，输出电压是电容C1和C2的函数。（3）双T电路的特点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、幅值影响灵敏度，要求高度稳定；③输出阻抗与电容无关，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差动式传感器。在环形二极管充放电法测量电容电路中，高频方波信号源，通过环形二极管电桥，对被测电容进行充放电，环形二极管电桥输出一个与被测电容成正比的微安级电流。四、环形二极管充放电测量电路§5.3电容式传感器测量电路1、电路基本结构输入方波加在电桥的A点和地之间，Cx为被测电容，Cd为平衡电容传感器初始电容的调零电容，C为滤波电容，A为直流电流表。二极管双T形交流电桥的改进（1）当输入的方波由E1跃变到E2时，电容Cx和Cd两端的电压皆由E1充电到E2。电容Cx的充电电流为i1，Cd的充电电流为i3。在充电过程中T1这