傳感器課件4章 電容式傳感器dPPT課件

第四章電容式傳感器 4 1工作原理 結(jié)構(gòu)及特性4 2應(yīng)用中存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施4 3測(cè)量電路4 4電容式傳感器及其應(yīng)用 電容式傳感器是將非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 分辨率高 可非接觸測(cè)量 并能在高溫 輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣環(huán)境工作 微機(jī)械結(jié)構(gòu)集成化電容傳感器將成為一種很有前途的傳感器 4 1工作原理 結(jié)構(gòu)特性 A 極板相對(duì)覆蓋面積 極板間距離 r 相對(duì)介電常數(shù) 0 真空介電常數(shù) 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 4 1 1變極距型電容傳感器 變極距 型 a e 變面積型 A 型 b c d f g h 變介電常數(shù) 型 i l 4 1 1變極距型電容傳感器 非線性關(guān)系 若極距縮小 電容量為 初始電容 電容的相對(duì)變化量為 若 0 1時(shí) 則上式按級(jí)數(shù)展開(kāi)為 靈敏度S為 略去高次 非線性 項(xiàng) 可得近似的線性關(guān)系 由上討論可知 1 變極距型電容傳感器只有在 0很小 小測(cè)量范圍 10 時(shí) 才有近似的線性輸出 2 靈敏度與初始極距的平方成反比 故可用減少 0的辦法來(lái)提高靈敏度 例如電容式壓力傳感器常取 0 0 1 0 2mm C0在20 100pF之間 可測(cè)小至0 01 m的位移 考慮線性項(xiàng)和二次項(xiàng) 則相對(duì)非線性誤差為 又由ef的表達(dá)式可見(jiàn) 0的減小會(huì)導(dǎo)致非線性誤差增大 過(guò)小還可能引起電容器擊穿或短路 為此 極板間可采用高介電常數(shù)的材料 云母 塑料膜等 作介質(zhì) 差動(dòng)結(jié)構(gòu) 動(dòng)極板置于兩定極板之間 初始位置時(shí) 1 2 0 兩邊初始電容相等 動(dòng)極板向上有位移 時(shí) 則電容總的相對(duì)變化量為 略去高次項(xiàng) 得 此時(shí) 相對(duì)非線性誤差為 4 1 2變面積型電容傳感器 當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板平移 l時(shí) 其電容量為 呈線性關(guān)系 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 電容相對(duì)變化量為 靈敏度 電容式角位移傳感器 當(dāng) 0時(shí) 當(dāng) 0時(shí) 傳感器電容量C與角位移 間呈線性關(guān)系 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 若電介質(zhì)1為空氣 當(dāng)L 0時(shí) 傳感器的初始電容 被測(cè)電介質(zhì)進(jìn)入極板間L深度后 電容相對(duì)變化量 電容變化量與電介質(zhì)移動(dòng)量L呈線性關(guān)系 4 1 3變介電常數(shù)型電容式傳感器 初始電容為 電容與液位的關(guān)系為 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 電容式液位傳感器 4 2應(yīng)用中存在的問(wèn)題及其改進(jìn)措施4 2 1等效電路 若考慮電容傳感器在高溫 高濕及高頻激勵(lì)的條件下工作而不可忽視其附加損耗和電效應(yīng)影響時(shí) 其等效電路如圖所示 圖中C 傳感器電容 Rp 低頻損耗并聯(lián)電阻 含極板間漏電和介質(zhì)損耗 Rs 高濕 高溫 高頻激勵(lì)工作時(shí)的串聯(lián)損耗電阻 包含導(dǎo)線 極板間和金屬支座等損耗電阻 L 電容器及引線電感 CP 寄生電容 可見(jiàn) 在實(shí)際應(yīng)用中 特別在高頻激勵(lì)時(shí) 尤需考慮L的存在 會(huì)使傳感器有效電容變化 引起傳感器有效靈敏度改變 修改P103公式4 22 在這種情況下 每當(dāng)改變激勵(lì)頻率或者更換傳輸電纜時(shí)都必須對(duì)測(cè)量系統(tǒng)重新進(jìn)行標(biāo)定 4 2 2邊緣效應(yīng) 以上分析各種電容式傳感器時(shí)還忽略了邊緣效應(yīng)的影響 實(shí)際上當(dāng)極板厚度h與極距 之比相對(duì)較大時(shí) 邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略 這時(shí) 對(duì)極板半徑為r的變極距型電容傳感器 其電容值應(yīng)按下式計(jì)算 邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低 而且產(chǎn)生非線性 為了消除邊緣效應(yīng)的影響 可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu) 如圖所示 等位環(huán)結(jié)構(gòu) 帶有等位環(huán)的平板電容傳感器原理1 2 電極3 等位環(huán) 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 3 2 保護(hù)環(huán)3與定極板2同心 電氣上絕緣且兩者間隙越小越好 同時(shí)始終保持等電位 以保證中間工作區(qū)得到均勻的場(chǎng)強(qiáng)分布 從而克服邊緣效應(yīng)的影響 為減小極板厚度 往往不用整塊金屬板做極板 而用石英或陶瓷等非金屬材料 蒸涂一薄層金屬作為極板 4 2 3靜電引力電容式傳感器兩極板間因存在靜電場(chǎng) 而作用有靜電引力或力矩 靜電引力的大小與極板間的工作電壓 介電常數(shù) 極間距離有關(guān) 通常這種靜電引力很小 但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下 須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差 消滅寄生電容影響 是電容式傳感器實(shí)用的關(guān)鍵 幾種常用方法 1驅(qū)動(dòng)電纜法整體屏蔽法3采用組合式與集成技術(shù) 4 2 4寄生電容電容式傳感器由于受結(jié)構(gòu)與尺寸的限制 其電容量都很小 幾皮法到幾十皮法 屬于小功率 高阻抗器件 因此極易受外界干擾 尤其是受大于它幾倍 幾十倍的 且具有隨機(jī)性的電纜寄生電容的干擾 它與傳感器電容相并聯(lián) 嚴(yán)重影響傳感器的輸出特性 甚至?xí)蜎](méi)有用信號(hào)而不能使用 4 2 5溫度影響1 溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感 在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下 溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對(duì)變化 從而產(chǎn)生很大的溫度誤差 2 溫度對(duì)介質(zhì)的影響 溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異 空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零 而某些液體介質(zhì) 如硅油 蓖麻油 煤油等 其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大 如煤油的介電常數(shù)溫度系數(shù)可達(dá)0 07 若環(huán)境溫度變化 50 則將帶來(lái)7 的溫度誤差 故采用此類(lèi)介質(zhì)時(shí)必須注意溫度變化造成的誤差 4 3測(cè)量電路 4 3 1耦合式電感電橋4 3 2雙T型電橋電路4 3 3脈寬調(diào)制電路4 3 4運(yùn)算放大器電路4 3 5調(diào)頻電路 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 4 3 2二極管雙T型電路 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 激勵(lì)電源為方波 一個(gè)周期內(nèi) 通過(guò)負(fù)載的電流為兩電容器放電電流之差 若兩電容不等則一周期內(nèi)負(fù)載電流不為零 4 3 3差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 利用對(duì)傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化通過(guò)低通濾波器就能得到對(duì)應(yīng)被測(cè)量變化的直流信號(hào) 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) uAB經(jīng)低通濾波后 就可得到一直流電壓U0為 式中UA UB A點(diǎn)和B點(diǎn)的矩形脈沖的直流分量 T1 T2 分別為C1和C2的充電時(shí)間 U1 觸發(fā)器輸出的高電位 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) C1 C2的充電時(shí)間 式中Ur 觸發(fā)器的參考電壓 設(shè)R1 R2 R 則得 結(jié)論 輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比 差動(dòng)變極距型差動(dòng)變面積型 特性 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路能適用于任何差動(dòng)式電容式傳感器并具有理論上的線性特性 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 優(yōu)點(diǎn) 采用直流電源 其電壓穩(wěn)定度高不存在穩(wěn)頻 波形純度的要求也不需要相敏檢波與解調(diào)等對(duì)元件無(wú)線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 4 3 4運(yùn)算放大器式電路 最大特點(diǎn) 能克服變極距型電容傳感器的非線性 Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號(hào) 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 運(yùn)算放大器式電路原理圖 由運(yùn)算放大器工作原理可知 結(jié)論 從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性前提 假設(shè)放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A 輸入阻抗Zi 實(shí)際仍然存在一定的非線性誤差 但一般A和Zi足夠大 所以這種誤差很小 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 4 3 5調(diào)頻電路 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí) C 0 振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0 當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí) c 0 此時(shí)頻率為 具有較高的靈敏度 可測(cè)至0 01 m級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量 并能與計(jì)算機(jī)通訊 抗干擾能力強(qiáng) 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 4 6電容式傳感器的應(yīng)用 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 隨著電容式傳感器應(yīng)用問(wèn)題的完善解決 它的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)十分明顯 1 分辨力極高 能測(cè)量低達(dá)10 7的電容值或0 01微米的絕對(duì)變化量和高達(dá) C C 100 200 的相對(duì)變化量 因此尤其適合微信息檢測(cè) 2 動(dòng)極質(zhì)量小 可無(wú)接觸測(cè)量 自身的功耗 發(fā)熱和遲滯極小 可獲得高的靜態(tài)精度和好的動(dòng)態(tài)特性 3 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 不含有機(jī)材料或磁性材料 對(duì)環(huán)境 除高濕外 的適應(yīng)性較強(qiáng) 過(guò)載能力強(qiáng) 電容式差壓傳感器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 靈敏度高 響應(yīng)速度快 約100ms 能測(cè)微小壓差 0 0 75Pa 真空或微小絕對(duì)壓力 測(cè)真空或微小絕對(duì)壓力時(shí)需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空 10 5Pa 即可為何種類(lèi)型電容傳感器 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 1 5 固定極板2 殼體3 簧片4 質(zhì)量塊6 絕緣體A B面為可動(dòng)極板精度較高 頻率響應(yīng)范圍寬 量程大 可以測(cè)很高的加速度 電容式加速度傳感器 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) a 測(cè)振幅 b 測(cè)軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺 電容式位移傳感器應(yīng)用 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 電荷平衡式位移傳感器 VR為不變的等幅方波信號(hào) VM與VR反向幅值可變 其幅值與測(cè)頭的位置成比例已在類(lèi)似于孔徑測(cè)量?jī)x等便攜式測(cè)量工具中應(yīng)用 上一頁(yè) 返回 下一頁(yè) 一 電容式液位計(jì) 棒狀電極 金屬管 外面包裹聚四氟乙烯套管 當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí) 引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大 聚四氟乙烯外套 電容式傳感器的應(yīng)用 電容式液位限位傳感器 液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于 它不給出模擬量 而是給出開(kāi)關(guān)量 當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定值時(shí) 它輸出低電平 但也可以選擇輸出為高電平的型號(hào) 液位限位傳感器的設(shè)定 智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡(jiǎn)單 用手指壓住設(shè)定按鈕 當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí) 放開(kāi)按鈕 智能儀器就記住該設(shè)定 正常使用時(shí) 當(dāng)水位高于該點(diǎn)后 即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào) 設(shè)定按鈕 智能化液位限位傳感器的設(shè)定按鈕 超限燈 正常工作指示燈 設(shè)定按鈕 電源指示燈 加速度傳感器在汽車(chē)中的應(yīng)用 加速度傳感器安裝在轎車(chē)上 可以作為碰撞傳感器 當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí) 微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞 于是就啟動(dòng)轎車(chē)前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹 托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部 裝有傳感器的轎車(chē) 氣囊 汽車(chē)氣囊的保護(hù)作用 使用加速度傳感器可以在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí) 經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣 三 濕敏電容 利用具有很大吸濕性的絕緣材料作為電容傳感器的介質(zhì) 在其兩側(cè)面鍍上多孔性電極 當(dāng)相對(duì)濕度增大時(shí) 吸濕性介質(zhì)吸收空氣中的水蒸氣 使兩塊電極之間的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)大為增加 水的相對(duì)介電常數(shù)為80 所以電容量增大 濕敏電容外形 濕敏電容傳感器的安裝使用 在