第4部分 传感器原理2-电容式

华中科技大学机械学院测试技术与信号处理二、电容式传感器1.变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化，实质上是一个具有可变参数的电容器。两平行极板组成的电容器,它的电容量为:d、A或e发生变化时，都会引起电容的变化。第三章常用传感器与敏感元件dAe0CAdeee—极板间介质的相对介电系数，在空气中为1。式中，e0—真空介质介电系数，=8.85×10-12F/md—极板间距离(m)；A—极板面积(m2)。华中科技大学机械学院测试技术与信号处理由此可得到传感器的灵敏度(1)极距变化型0ACdee02AdCdeedd20SdCdAdeeddd+dd与极距平方成反比，d↓，S↑。电容式传感器如果电容器的面积和极间介质不变，极距有一个微小变化量dd时，引起电容的变化量dC为华中科技大学机械学院测试技术与信号处理由于灵敏度随极距平方而反比变化，会引起非线性误差。为了减少此误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似的线性关系。一般取极距变化范围约为Dd/d0≈0.1。20SdCdAddee在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。•优点:是可进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小;灵敏度高，适用于较小位移(0.01mm-数百微米)的测量。•缺点:有非线性特性、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精确度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂，由于这些，其使用范围受到一定限制。电容式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理应用实例电容式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。电容式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理(2)面积变化型①角位移型0CAeed电容式传感器22Ar当动极板有一转角时，与定极板之间相互覆盖面积发生变化，导致电容量变化。覆盖面积覆盖面积对应的中心角202rCeed202rdCSdeed常数输出与输入成线性关系灵敏度华中科技大学机械学院测试技术与信号处理②平面线位移型电容式传感器Dxxb0Cbxeed当动极板沿水平方向移动时，与定极板之间相互覆盖面积发生变化，导致电容量变化。电容量0xbdCSdeed灵敏度常数输出与输入成线性关系华中科技大学机械学院测试技术与信号处理③柱面线位移型电容式传感器02ln()dxCDee当动极板(圆筒)沿垂直方向移动时，与定极板(圆筒)之间相互覆盖面积发生变化，导致电容量变化。电容量常数输出与输入成线性关系dD02ln()dCSdxDdee灵敏度面积变化型的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适合于较大位移测量。华中科技大学机械学院测试技术与信号处理产品陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。压力变送器电容式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理(3)介质变化型电容式传感器0ACeed利用介质介电常数变化，将被测量转化为电容量变化。电容量以插入式为例010002012000010210()=[()]rrrrblbCCCblllleeeeddeeeed应用：测量厚度、高度等华中科技大学机械学院测试技术与信号处理介质变化型电容传感器应用例测量原理：当介质的厚度、高度、温度或湿度变化时，其介电常数发生变化，引起电容量的变化。介质厚度、湿度、温度计介质液位计电容式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理归纳：电容传感器特点及应用•特点：分辨力极高（电容值10-7，位移0.01μm，相对值100%~200%）动极板质量小，惯性小，动态响应好；非接触，结构简单，自身发热和功耗小；不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强。•应用：微信息检测——测微仪；静态测量——金属零件计数高频信号检测——振动，转速；电容式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理产品电容式液位传感器（液位计/料位计）电容式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理产品：电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容电容式传感器测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。华中科技大学机械学院测试技术与信号处理2.测量电路(1)电桥电路电容式传感器测量电路如右图所示电容传感器作为桥路的一部分,由电容变化转换为电桥的电压输出,通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥。差动式交流电桥UoaUeZ1cdZ3Z4Z2bDd电容极距变化→电容变化→电桥输出电压变化工作原理电桥输出为调幅波，经放大、相敏检波、滤波后获得输出…华中科技大学机械学院测试技术与信号处理UoaUeZ1cdZ3Z4Z2b●平衡条件（U0=0）1324ZZZZ对于一般的交流电桥：如下图所示，Z表示阻感，输出电压为1324oe1234()()ZZZZUUZZZZ0jiiiZZe阻抗的模阻抗角i=1,2,3,4010302041324ZZZZ交流电桥平衡必须同时满足以上两个条件电容式传感器测量电路华中科技大学机械学院测试技术与信号处理1111jZRCUoaUeR1cdR3R4R2bC1C44441jZRC由平衡条件可得13421411jjRRRRCC32132414jjRRRRRRCC13243124RRRRRCRC平衡条件电容式传感器测量电路华中科技大学机械学院测试技术与信号处理UoaUeL1cdL2bC2C1●平衡条件1221LCLCoe==-=2dbabadUUUUCUCD若取：L1=L2=L,C1=C2=CDd设：Dd为向上移动，则：C1→C+DC，C2→C-DC输出电压：电容式传感器测量电路+++---+-华中科技大学机械学院测试技术与信号处理(2)直流极化电路也称为静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。如右图所示，弹性膜片在外力（气压、液压等）作用下发生位移，使电容量发生变化。电容器接于具有直流极化电压E0的电路，电容的变化由高阻值电阻R转换为电压输出。电流：00()idQdtdCEddttEdC输出电压：0002yAddCdtdRtuiREREeedd式（3-14）输出电压与膜片速度成正比i式（3-21）→只适用于动态测量电容式传感器测量电路华中科技大学机械学院测试技术与信号处理(3)谐振电路上图为谐振电路原理及其工作特性。电容器传感器的电容Cx作为谐振电路调谐电容的一部分。谐振电路当Cx电容量发生变化时，谐振回路的阻抗随之变化，并被转换为电压或电流输出，经放大、检波，即可得到输出。特点：该电路比较灵敏，但工作点不易选择，变化范围小，传感器连接电缆的杂散电容影响也较大。电容式传感器测量电路华中科技大学机械学院测试技术与信号处理0x12πfLC(4)调频电路如下图所示，电容器传感器的电容Cx为谐振电路的一部分，当输入量电容Cx使发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。优点：灵敏高、抗干扰性强等优点，可测0.01mm的位移变化量。缺点：电缆电容影响较大，使用中有些不便。电容式传感器测量电路华中科技大学机械学院测试技术与信号处理(5)运算放大器电路00y00x0CCuuuCAdee输入阻抗采用固定电容C0，反馈阻抗采用电容器传感器Cx，根据比例器的运算关系，当激励电压为u0时，有与极距成反比,是非线性关系。这一缺点使电容传感器的应用受到一定限制。为此，采用比例运算放大器电路可以得到输出电压uy与位移量的线性关系。如上图所示。极距变化型→0ACdee（3-22）C0Cxu0uy运算放大器电路电容式传感器测量电路