电容式传感器模板

3.3电容式传感器3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器上一页下一页返回概述电容式传感器电容式传感器的特点是：•小功率、高阻抗;本身发热影响小;•电容器小几十～几百微法，具有高输出阻抗;•静电引力小（极板间），工作所需作用力很小；•可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好；•可进行非接触测量。传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。概述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概述电容式传感器电容式传感器典型应用硅微电容式传感器测量管道液位高度电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。优点：结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作。应用：压力，差压，液位，振动，位移，加速度，成份含量等3.3.1电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型2.变极距型电容传感器3.变面积型电容传感器4.变介电常数型电容式传感器上一页返回下一页1.工作原理及类型CSSr0δSε上一页返回下一页由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数、极板间介质的相对介电常数、极板的有效面积Ａ以及两极板间的距离δ有关：若被测量的变化使式中δ、Ａ、ε三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，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。S——极板相对覆盖面积；δ——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数，；ε——电容极板间介质的介电常数。变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)上一页返回下一页2.变极距型电容传感器dsCr00200001)1(1ddddCddCddsCCCr非线性关系若△d/d1时，则式（3.3.3）可简化为ddCCC00若极距缩小△d最大位移应小于间距的1/10差动式改善其非线性由图3.3.2知初始电容上一页返回下一页3.变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为dxbdabdbxaCCCrrr0000)(△C与△x间呈线性关系上一页返回下一页平面线位移型：原理结构如图所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化式中C0=ε0εrb0L0/d0为初始电容。电容相对变化量为axcc0输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围限制，适合测量较大的直线位移.非线性误差为零。它的灵敏度为sacxcs0若在b方向移动Δb,结果怎样？电容式角位移传感器0000dsCr00000)1(CCdsCr当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系上一页返回下一页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改变,从而改变了两极板间的电容量。当θ=0时,则增量0cc灵敏度0cs4.变介电常数型电容式传感器这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。4.变介电常数型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容电容式液位传感器电容与液位的关系为：上一页返回下一页02010021)(dLLLbCCCrr当L=0时，传感器的初始电容0000000100dbLdbLCr当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为02000)1(LLCCCCCr电容变化量与电介质移动量L呈线性关系上一页返回下一页图中两平行极板固定不动，极距为d0，相对介电常数为的电介质ε1以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。原理演示3.3.2电容式传感器主要性能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上一页返回下一页变极距型，其静态灵敏度为kCCg011(/)1/将上式展开成泰勒级数得kCg02341kg但δ过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm)在极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能差动结构也可提高灵敏度上一页返回下一页平板式变面积型b△aaabSC0aaCabbaaabC0baCaCkg0bδkg减小δ、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度上一页返回下一页2.非线性变极距型CCC0011/1/将上式展开成泰勒级数得CC02311/CC0(/)δ取值不能大，否则将降低灵敏度mmm9.0~01.0)51~101(上一页返回下一页采用差动形式，并取两电容之差为输出量CC21024差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍如果采用容抗作为电容式传感器输出量XCC1/()SCXc11被测量与δ成线性关系无需满足上一页返回下一页3.3.3传感器的特点和设计要点1.特点2.设计要点上一页返回下一页1、特点优点:1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）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、具有平均效应上一页返回下一页动态响应好极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001m甚至更小的位移可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。返回缺点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，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106～108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响2、寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度上一页返回下一页2.设计要点(1).减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能(2).消除和减小边缘效应(3).消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰(4)尽可能采用差动式电容传感器上一页返回下一页低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能选材、结构、加工工艺电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）电极支架：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为0）传感器密封，用以防尘、防潮采用差动结构、测量电路来减小温度等误差上一页返回下一页(2).消除和减小边缘效应危害：灵敏度降低产生非线性减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大易产生击穿并有可能限制测量范围上一页返回下一页等位环结构边缘电场均匀电场3321带有等位环的平板电容传感器原理1、2－电极3－等位环边缘效应引起的非线性与变极距型传感器原理上非线性恰好相反，因此在一定程度上起了补偿作用，但传感器灵敏度同时下降上一页返回下一页(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。（a）屏蔽和接地（b）增加初始电容值，降低容抗。（c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。（d）尽可能一点接地，避免多点接地上一页返回下一页(5)差动技术的运用减小非线性误差提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响上一页返回上一页返回下一页3.3.4电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；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是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗上一页返回下一页rC0CPRgL低频等效电路传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻Re≈Rg上一页返回下一页CeRg高频等效电路电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中Ce=C0+Cp，而re≈r上一页返回下一页reCeLRCjLjCje11LCCCe21由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此时电容传感器的等效灵敏度为2222)1()1/(LCkdLCCdCkgee当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。上一页返回下一页3.3.5电容式传感器测量电路(1)调频电路(2)运算放大器电路(3)双T型电桥电路(4)脉宽调制电路⑸电桥电路上一页返回下一页(1)调频电路)(212101CCCCLLCfi上一页返回下一页谐振曲线当被测信号为零时，△C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，)(21010CCCLfi当被测信号不为零时，△c≠0，此时频率为ffCCCCLfi001)(21具有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强上一页返回下一页(2).运算放大器式电路最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号上一页返回下一页运算放大器式电路原理图uC-ACx∑～u0由运算放大器工作原理可知ujCjCuCCuxx011/()/()/)(SCxuuCS0结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性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。上一页返回下一页(3)二极管双T型电路上一页返回下一页U0iC1iC2±UED1D2RRC1C2RLUE高频对称方波电源，D1、D2特性相同二极管C1、C2传感器差动电容R固定电阻，RL负载。电容式传感器测量电路二极管双T型电路双T型电路工作原理分析•正半周D1导通D2截止C1充电；•负半周D1截止D2导通C2充电；一个周期内负载RL上输出电压URL与电源电压VE幅值、频率f有关;与电容的差值(C1-C2)成正比若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路上一页返回下一页UERRRULLEiC2C2U0RRLR±供电电压