N-3.4 电容式传感器

3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型2.变面积型电容传感器3.变介电常数型电容传感器4.变极距型电容式传感器什么是电容器？电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。电容导体上的电荷导体之间的电压差QCV1.工作原理0rSSCddS——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数（8.85pF/m）；ε——电容极板间介质的介电常数。δSε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)2.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0000()rrraxbCCCdabxbdd△C与△x间呈线性关系电容式角位移传感器0000dsCr0000(1)(1)rsCCd当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系，但如果输出是，则是非线性关系。01XjC3.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：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4.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初始电容3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.2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2.非线性平板式变面积型b△aa0SabCdd0aabababaCCddda0gCCbkaadbdkg减小d、增大b、采用差动结构可提高灵敏度变极距型，其静态灵敏度为01()1/gCCkdddd/1dd将上式展开成泰勒级数得23401gCddddkddddddkg但d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2.非线性变极距型0011/ddCCCdddddd/1dd将上式展开成泰勒级数得2301ddddCCdddd/1dd0(/)CCddd取值不能大，否则将降低灵敏度11(~)0.01~0.9105ddmmm采用差动形式，并取两电容之差为输出量24021dddCCddd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/()11cXdCSdd被测量与d成线性关系无需满足3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.3传感器的特点和设计要点1.特点2.设计要点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可动部分可做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性其固有频率很高，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。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2.设计要点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消除和减小边缘效应消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰尽可能采用差动式电容传感器低成本、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(2).消除和减小边缘效应危害：灵敏度降低、产生非线性适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围(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(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3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.4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C=C0+Cp，等效电阻Re≈RgCRg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C=C0+Cp，而re≈rreCLRCjLjCje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。3.4电容式传感器3.4.1电容式传感器的工作原理3.4.2电容式传感器主要性能3.4.3电容式传感器的特点和设计要点3.4.4电容式传感器等效电路3.4.5电容式传感器测量电路3.4.6电容式传感器的应用3.4.7容栅式传感器3.4.5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)脉宽调制调频电路(1)调频电路)(212101CCCCLLCfi当被测信号为零时，△C=0，振荡器有一固有振荡频率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(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/()/()()/xCSd0uCudS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。(3)二极管双T型电路电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路UERRRULLEiC2C2U0RRLR±供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下:ITitTitTRRRRUCCCTCLLE22022021112ddiURRRURRRRReCELLELLtRRRRRCLL22在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成故在负载RL上产生的电压为URRRRIIRRRRRRUTCCLLCCLLLE0122122()()()()同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为ITRRRRUCCLLE1112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。优点：采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高(4).差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号差动脉冲调宽电路原理图uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA式中UA、UB──A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2──分别为C1和C2的充电时间；U1──触发器输出的高电位。C1、C2的充电时间TRCUUUr11111lnTRCUUUr22211ln式中Ur──触发器的参考电压设R1=R2=R，则得UCCCCUr01212结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2差动变极距型差动变面积型21021EddUUddEUSSSSU12210特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器，并具有理论