第4章 电容式传感器C

传感器与检测技术第4章电容式传感器传感器与检测技术第4章电容式传感器本章内容4.1电容式传感器的工作原理和结构4.2电容式传感器的测量电路4.3电容式传感器的应用传感器与检测技术第4章电容式传感器学习目标•理解变极距型、变面积型和变介电常数型电容传感器的工作原理。•能正确分析电容式传感器的典型测量电路。•掌握差分电容式传感器的工作原理及优点。•掌握电容传感器的基本使用方法和典型应用。传感器与检测技术第4章电容式传感器第4章电容式传感器电容式传感器的本质：它是将被测量(如压力、尺寸等)的变化转换成电容量变化的一种传感器，其本身就是一个可变电容器。实际应用：测量压力、差压、绝对压力、高压差、微差压和高静压等。特点：结构简单，非接触测量、灵敏度高，动态响应好，可在恶劣环境下工作。4.1电容式传感器的工作原理和结构由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为0rAACdd传感器与检测技术第4章电容式传感器•式中：——电容极板间介质的介电常数，=0r，其中0为真空介电常数，r极板间介质的相对介电常数；A——两平行板正对面积；d——两平行板之间的距离。•如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可以转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型3种。0rAACdd传感器与检测技术第4章电容式传感器图4-1电容式传感元件的各种结构形式传感器与检测技术第4章电容式传感器4.1.1变极距型电容传感器•1.变极距型电容式传感器•(1)初始电容量•当传感器的r=1且A为常数，初始极距为d0时，其初始电容量C0为•传感器的输出特性不是线性关系，而是曲线关系。图4-3电容量与极板间距的关系000dACddAC00(2)d减小时的电容量(3)d减小时电容量的增量•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，则有传感器与检测技术第4章电容式传感器)()(000000000000000dddAddddAdAdAddAddACCC(4)d减小时电容量的相对变化量)/11()(1)(00000000000000dddddddAddddAddAdddAdCC近似(线性化)处理：00ddCC传感器与检测技术第4章电容式传感器(5)变极距型电容式传感器的灵敏度000011/dddddCCK可见，灵敏度K0与初始间隙成反比关系。欲提高K0,应减小极板间距离,但存在电容器击穿的问题。(6)电容量相对变化量的幂级数展开式][302000000111dddddddd)d/d(ddCC，则32111xxxx：应用幂级数展开式(7)传感器的非线性误差%100)1(00000ddddddddddL可见，欲减小非线性误差，需增大初始极板间距离d0。结论:提高该传感器的灵敏度与减小非线性误差是相互矛盾的。传感器与检测技术第4章电容式传感器(8)差分变极距型电容式传感器设；动极板上移，d1=d0-△d，C1增加；d2=d0+△d，C2减小。]1[)/11(]1[)/11(30200000023020000001ddddddddddddCC，ddddddddddddCC，而则差分变极距型电容式传感器的电容相对变化量为：][][4020030200302000020102101211ddddddddddddddddddddCCCCCCCCC传感器与检测技术第4章电容式传感器近似(线性化)处理：002ddCC差分变极距型电容式传感器的灵敏度0000221/dddddCCK差分变极距型传感器的非线性误差%10022122000200ddddddddddL可见，与单电容传感器相比，对相同的初始极板间距离d0，非线性误差大大减小。结论：该传感器采用差分型式后，灵敏度提高，线性变好。但没有根本解决灵敏度和线性度的相互矛盾。传感器与检测技术第4章电容式传感器•此时C与Δd近似呈线性关系，在d0较小时，对于同样的Δd变化所起的ΔC可以增大，从而使传感器灵敏度提高。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质。•云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000kV/mm，而空气仅为3kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。在微位移测量中应用最广。传感器与检测技术第4章电容式传感器4.1.2变面积型电容式传感器1.线性位移电容传感器(1)初始电容设，极板间为空气介质，忽略边缘效应。则abAC000(2)电容的变化量当极板移动△x，则xbCxbabxabC00000)(xbCxbCCCC00000变化量△C：传感器与检测技术第4章电容式传感器(3)灵敏度K0bxCK00由上式可见，K0是常数，具有线性输出特性。实际上，由于边缘效应，存在非线性。(4)差分式电容式传感器1）传感器输出△C=C1-C22）可提高灵敏度，改善非线性。图4-6电容式角位移传感器原理图2.电容式角位移传感器•当动极板有一个角位移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。当动极板转动时，则0r0000(1)ACCCd传感器与检测技术第4章电容式传感器4.1.3变介质型电容式传感器1.原理•设被测介质的介电常数为1，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，此时变换器电容值为022()2()2)2InInInInInhhhhHCCDDDDDddddd图4-7电容式液位变换器结构原理图变换决电02πεH其中C=由器的基本尺寸定的初始容值oDInd可见，变换器的电容增量正比于液面高度为h。传感器与检测技术第4章电容式传感器2、应用用来测量纸张、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介质的湿度。图4-8变介质型电容式传感器。L;bL:dL)LL(bCCCrr的长度第二种介质进入极板间极板的长度和宽度和式中0002010021可见，被测介质εr2进入极板间的深度L会引起传感器的电容量变化。传感器与检测技术第4章电容式传感器几种常用的电介质材料的相对介电常数为r：传感器与检测技术第4章电容式传感器4.2电容式传感器的测量电路4.2.1调频电路•调频测量电路把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。12fLC•式中：L——振荡回路的电感；C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中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。图4-9调频式测量电路原理图调频式测量电路原理框图如图所示。图中调频振荡器的振荡频率为传感器与检测技术第4章电容式传感器•当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为•调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01m级位移变化量。012012()fffCCCCL012012()fCCCL•当被测信号为0时，ΔC=0，则C=C1+C2+C0，振荡器有一个固有频率f0为传感器与检测技术第4章电容式传感器4.2.2运算放大器式电路•由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高，运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。图4-10运算放大器式电路原理图1.电路组成2.工作原理对反相输入端，考虑“虚地”，有以下电流关系：IxIxICCxCxCIuCCuCjCjuXX，uXuXu1100即传感器与检测技术第4章电容式传感器du，、S、、CudSCuu,d/SCIIx00则为常值如果保持有若设•如果传感器是一只平板电容，则•式中：“−”号表示输出电压U0的相位与电源电压反相。•运算放大器的输出电压U0与极板间距离d成线性关系。传感器与检测技术第4章电容式传感器4.2.3二极管双T形交流电桥1、当传感器没有输入时，C1=C2。•其电路工作原理如下：①当e为正半周时，二极管VD1导通、VD2截止，于是电容C1充电，在随后负半周出现时，电容C1上的电荷通过电阻R1，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I1。图4-11二极管双T形交流电桥（a）电路原理图；（b）高频电源正半周等效电路图；（c）高频电源负半周等效电路图•②当e为负半周时，VD2导通、VD1截止，则电容C2充电，在随后出现正半周时，C2通过电阻R2，负载电阻RL放电，流过RL的电流为I2。•根据上面所给的条件，则电流I1=I2，且方向相反，在一个周期内流过RL的平均电流为零。此处不连接传感器与检测技术第4章电容式传感器•2、若传感器输入不为0，则C1≠C2，I1≠I2，此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压，输出电压在一个周期内平均值为LoLL12LL1220L(2)1()()d()()TRRRUIRItIttRRUfCCTRR•若•则输出电压可改写为Uo=UfM(C1−C2)•输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关，而且与T形网络中电容C1和C2的差值有关。故可用来测量高速的机械运动。LL2L(2)()RRRRMRR传感器与检测技术第4章电容式传感器4.3电容式传感器的应用4.3.1电容式油量表•（1）当油箱中无油时，电容传感器的电容量Cx=Cx0，调节匹配电容使C0=Cx0，R4=R3；并使调零电位器RP的滑动臂位于0点，即RP的电阻值为0。此时，电桥满足Cx/C0=R4/R3的平衡条件，电桥输出为零，伺服电动机不转动，油量表指针偏转角θ=0。图4-15电容式油量表1—油箱；2—圆柱形电容器；3—伺服电动机；4—减速箱；5—油量表传感器与检测技术第4章电容式传感器（2）当油箱中注满油时，液位上升至h处，Cx=Cx0+Cx，而Cx与h成正比，此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Uo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂移动，从而使RP阻值增大，Rcd=R3+RP也随之增大。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θ处。图4-15电容式油量表1—油箱；2—圆柱形电容器；3—伺服电动机；4—减速箱；5—油量表传感器与检测技术第4章电容式传感器•（3）由于指针及可变电阻的滑动臂同时为伺服电动机所带动，因此，RP的阻值与θ间存在着确定的对应关系，即θ正比于RP的阻值，而RP的阻值又正比于液位高度h，因此可直接从刻度盘上读得液位高度h。•（4）当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转(示值减小)，同时带动RP的滑动臂移动，使RP阻值减小。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转，指针停留在与该液位相对应的转角θ处。图4-15电容式油量表1—油箱；2—圆柱形电容器；3—伺服电动机；4—减速箱；5—油量表传感器与检测技术第4章电容式传感器•本