3-1.电容式传感器

信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春信号检测与控制A电子信息工程系方跃春Mob：13874808185QQ:360552387信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春第3章电容式传感器电容式传感器被测非电量电容量C测量电路电量U、I、f电容式传感器变面积式电容传感器变间隙式电容传感器变介电常数式电容传感器信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春当被测量d、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。+++dAε0：真空介电常数，8.85x10－12F/m3-1电容式传感器的工作原理dsdsCr...0信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春变间隙型变面积型变介质型电容式传感器+++++++++dAdsC.信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春角度位移型差动角度位移型平面直线位移型圆柱面直线位移型差动圆柱面直线位移型信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春xdbCdxabC0)(axCxdbCCC00dbaCxCK0灵敏度badΔx动极板定极板（1）平面直线位移型：主要用来测直线位移信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春（2）圆柱直线位移型：主要用来测直线位移)ln(212rrlCllCrrlrrllrrlC021212)ln(2)ln()(2)(ln21lClCK0＝＝灵敏度信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春（3）角度位移型：主要用来测角位移)1()1(0CdSC00CCCC0CC＝灵敏度＝信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春课堂讨论1、平面直线位移型与圆柱直线位移型比较，哪种更好？2、变面积型电容传感器测量线性度怎样？3、变面积型电容传感器测量灵敏度主要由什么因素决定？信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春2、输入、输出呈线性关系。3、增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度。1、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。小结信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春二、变间隙式电容传感器单极变间隙式电容传感器差动变间隙式电容传感器（主要用于测量微小位移量）信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春dεS动极板定极板若极板间距变化△d，则电容将变化△C。1)(120dd只有当△d＜＜d时，2000000)(11)1(ddddcdddAddAc（c与△d非线性）)1(00ddCC（c与△d线性）信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春问题讨论：要改善测量线性，要怎样选择d0？要提高测量灵敏度，要怎样选择d0？△d△Cdd00CC0C-d特性曲线信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春，要提高变间隙式电容传感器灵敏度K应减小初始极距d0，但d0太小易击穿；为保证良好线性，应使△d/d0足够小，变极距型电容传感器适合测微小位移量；为既提高灵敏度又改善非线性，一般采用差动式，差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍。01ddCk小结信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春例：变间隙式电容传感器----电容式传声器信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春三、变介电常数式电容传感器（主要用于测量厚度、液位、介质及湿度等）信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春（1）电容式测厚仪介质xdCC1C2等效电路xdSxdxSxSxdSxSxdSCCCxxxxxxxx)(CC2121测出电容C的值，即可由上式求出待测材料的厚度。信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春（2）电容式液面计xh2r2Rε0ε1输出电容C与液面高度x成线性关系。液面高度C2C1C等效电路信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春例：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传感器用在该储存灌内时的灵敏度。解：因为pF.lnm.)m/pF.(rrlnhCmin46418402185822120所以ln)(2ln2bxaxrRrRhCx信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春pF..pF.)r/rln(h)r/rln(h)r/rln(h)()r/rln(hCrmax0787124641222212012120120同理，当被测液位高度最大，即hx=h=1.2m时传感器的电容量最大。信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春L.m.m.hdV623521450422L/pF.L.pF.pF.VCCKminmax190623546410787储存灌的容积为：故传感器的灵敏度为：信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春3-2电容式传感器的测量电路测量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，形成可供实用的电信号；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。信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春一、电容式传感器等效电路电容传感器的等效电路包括:L0---传输线的电感R---传输线的电阻C0---传感器电容Cp---分布电容，Rg---极板等效漏电阻信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春u是占空比为50％的高频方波电源，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。二、二极管双T型电桥电路+-URL信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春电源正半周时：D1导通，C1被快速充电到UE，D2截止，C2放电。C2C1UERLRR++iC2iC1若将二极管理想化，C1以极短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE，电路等效为一阶电路。C2UERLRR+iC2根据一阶电路三要素法：22222)()]()0([)()(CRRRRRteRUeiiitiLLEtCCCC?rD信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春同理，电源负半周时，电容C1放电电流iC1的平均值IC1:1121CURRRRTIELLC输出电压UO取自负载电阻RL两端：212210)(2CCTURRRRRRIIRRRRUELLLCCLLUO与C1、C2差值成正比电流iC2的平均值IC2:20220222111CURRRRTdtiTdtiTIELLCTCC时间常数＜＜T/2信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春二极管双T型电桥电路特点：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。请举例说明可用于哪些电容传感器测量？信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春三、差动脉冲宽度调制电路双稳态触发器R2A1A2VD2VD1R1uoC2C1QQAGBFUr＋－＋－C1、C2传感器差动电容信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春C1=C2，U0平均值为零C1≠C2，U0平均值不为零U1为触发器输出高电平信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春设R1=R2输出电压与电容差值成正比！信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春差动脉冲宽度调制电路特点：1、从输出电压表达式可知，对任何形式电容式传感器都具有线性特性。（为什么？）2、采用直流电源，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等，经低通滤波器可输出较大的直流电压。信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春反相放大电路反馈元件是传感器电容CxCo是固定电容ui电源电压四、运算放大器测量电路ICOICX对于理想运放，有：0ixoCj1Cj1UUx0ioCCUUdACxdACUU0io平行板电容器：UO与间距d成正比，可用于测变间距电容传感器。信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春五、交流电桥电路VZ1Z2Z3Z4•△V•单臂电桥形式：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，差动电桥形式：将差动电容式传感器接入两个相邻臂，另两个臂可以是电阻、电容、电感，也可是变压器的两个二次线圈。ECCCCUO2112信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春交流电桥电路的主要特点：①必须接成差动形式使用；②电桥的交流激励源的幅值和频率要稳定；③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。信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春一、边缘效应的影响理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。①为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间隙。②在结构上增设等位环来消除边缘效应。3-3电容式传感器误差分析信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春均匀电场等位环电极电极边缘电场边缘电场原理：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。信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定。①.增加原始电容值②.注意传感器的接地和屏蔽（右图）③.将传感器与电子线路的前置级装在一个壳体内（集成化）减小寄生电容的方法二、寄生电容的影响信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春测量电路前置级+−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”技术等电位屏蔽法信号检测与控制A—电容式传感器2020-2-21电子信息工程系方跃春三、防止和减小外界干扰注意传感器的接地和屏蔽增加原始电容值，降