第6讲 电容式传感器

电容式传感器电容传感器的工作原理分类电容传感器应用中需注意的问题电容传感器的测量电路电容式传感器的应用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以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。被测参数：压力、力、液位和振动学等。优点：结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉。缺点：电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。电容传感器的概述电容传感器的工作原理dSC+++dA•电容式传感器的基本工作原理如图所示，从中可看出，є，S，d三个参数都直接影响着电容量C的大小。所以电容式传感器可以分为三种类型：变间隙型变面积型变介质型电容式传感器•电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。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)变极距型电容传感器变d式电容传感器1－定极板；2－动极板；3－介质1•如图所示是这种传感器原理图。%100%100)/()/()1(1)1()1(1)1(]1)1[(00202000010010100101000ddddddedAdCdCkddddddCCddddddCCddCCCCf1.若间隙减少，电容变化量：电容相对变化量：2.若间隙增加，电容变化量：灵敏度k为：非线性误差为：平行极板电容器C和d的关系结论：电容相对变化量以及非线性误差均与间隙相对变化量有关；而其灵敏度仅与起始时的电容量和间隙有关。例：电容式传声器变面积型电容传感器abaCxCkaxCCdbxaCCC//)(00000这种传感器的输出特性呈线性。因其量程不受线性范围限制，适合于大直线位移测量。1.平面直线位移型原理结构图见图所示。它与变间隙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A0改变，从而使电容变化。2.角位移型+++)1()1(0CdAC电容传感器的容量与投影面积的关系演示（3）园柱型电容传感器AC0•当动极板有一线位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化。dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容电容与液位的关系为：变极板间介质的介电常数变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器•测量对象：纸张、绝缘膜厚度、非导电固体物质的湿度。变介质面积型电容传感器振荡电路感应电极被测物体例：电容式接近开关电容传感器的主要性能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之比。1）变极距型电容传感器3201dddddddCkg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2）平板式变面积型baCaCkg0bδkg•减小δ、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度2.非线性1）变极距型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(要获得较大灵敏度k，则应使d0小，但d0太小时，电容的相对变化量和非线性误差要增大。且d0太小，电容器易引起击穿或短路，故k与ef在d0取值时是矛盾的。解决方法：1）电容器击穿问题方法：可在定极板上（或极板间）放置一层介电常数值高的介电物质，如云母、塑料等。变d型差动电容传感器结构示意图2）实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，以便于连接测量电桥，一般采用差动式结构。•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电容传感器的特点优点: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•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0.001mm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。4.可以实现非接触测量、具有平均效应缺点：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。电容传感器的设计要点•低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应。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。•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。•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3）消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。•屏蔽和接地•增加初始电容值，降低容抗。•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。•尽可能一点接地，避免多点接地4）尽可能采用差动式电容传感器。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。电容传感器的等效电路C－电容器电容RP－低频损耗并联电阻RS－高温、高湿、高频励磁工作时的串联损耗电阻L－电容器及引线电感CP－寄生电容电容传感器的等效电路电容传感器测量电路-调频电路)(212101CCCCLLCfi电容传感器测量电路-运算放大器电路•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uC-ACx∑～u0运算放大器式电路原理图双T二极管等效电路正半周等效电路图负半周等效电路图双T二极管交流电桥RL如图所示。它利用电容充放电原理组成。电容传感器的测量电路-双T二极管交流电桥电容传感器的测量电路-脉冲宽度调制电路差动脉冲调宽电路原理图QBQVD2VD1AR2R1FGC1C2A2A1uABUr双稳态触发器优点：•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电容式传感器的应用1.电容法测泥料水分2.电容测厚传感器在板材轧制中的应用CBRR0C1C2C1L2L电容式自平衡液位测量仪电容式液位计无油时，起始电容Cx=Cx0，若使Cx0=C0，此时输出为零，指针指零，电桥无输出，系统处于平衡状态E1Cx0=E2C0油量变化时，Cx=Cx0+△Cx△Cx=k1·h电桥不平衡→输出U放大→两相电机转动→减速→指针指示→电位器电刷转动→改变E→电桥恢复平衡→输出电压为零、电机停止转动、指针停在某角度上。hkkCEEk21012线性电位器hkCECCEECEECCExxx101010201)()代入初始平衡条件：（在新的平衡位置：∴指针转角与h成线性关系CCrrrrHrrhrrhHCCCxx012121211222122121)/ln((2)/ln(2)/ln(2)/ln(2））（当燃油增大，h2增大，△C也增大；燃油减少，h2减少，△C也减小。通过测量电容的大小就能知道油量的多少。圆柱型电容传感器的电容为油量测量电容式液位计设定按钮•智能化液位传感器的设定方法：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。液位限位传感器的设定智能化液位限位传感器的设定按钮超限灯正常工作指示灯设定按钮电源指示灯电容式接近开关凹玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极P电容式差压传感器差动型P弹性膜片(动电极)固定电极电容式压力传感器单只变间隙型hmaxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效电路•当PH=PL时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容均为C0；当PHPL时，中心膜片上凸，上部电容为CL，下部电容为CH。CH相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而C0又可看成是膜片上部电容CL与的CA串联。电容式称重传感器电容式称重传感器绝缘材料定极板动极板极板支架弹性体•在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化，测量误差大大减小（误差平均效应）电容式称重传感器F电容式称重传感器•两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块m，质量块的两端面经抛光后作为动极板，当传感器测量竖直方向的振动时，由于m的惯性作用，使其相对固定电极产生位移，两个差动电容器C1和C2的电容发生相应的变化,其中一个变大，另一个变小。电容式加速度传感器弹簧片定极板2质量块（动极板）定极板1绝缘体aC1C2m电容式位移传感器电容式加速度传感器装有传感器的假人气囊•加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。加速度传感器在汽车中的应用汽车气囊的保护作用•使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。汽车气囊的保护作用(2)利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置