電容式傳感器79889課件

1、第4章 電容式傳感器4.1傳感器的工作原理及類型4.2電容傳感器的靈敏度及非線性4.3電容傳感器的特性等效電路4.4電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路4.6電容式傳感器的應(yīng)用舉例本章要點(diǎn)電容式傳感器？ 電容式傳感器是將被測(cè)量(如尺寸、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的-種傳感器。 s 4.1 工作原理、分類及應(yīng)用一、工作原理：介質(zhì)介電常數(shù) s ：極板面積 ：極板間距離 s 上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？ 二、分類 (按工作原理分類)改變s、 三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量C 改變。固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。 s

2、圖411、變極距型(變間距型)電容傳感器兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，當(dāng)兩極板在被測(cè)參數(shù)作用下發(fā)生位移，引起電容量變化.1、變極距型電容傳感器變間隙式一般用于微小位移的測(cè)量（小至：0.01微米）。改善非線性，提高靈敏度，減少環(huán)境影響，采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。2、變面積電容傳感器常用的有角位移型和線位移型兩種。一般情況下，變截面積型電容式傳感器常做成圓柱形 。2、變面積型電容傳感器電容量的變化與面積的變化成線性關(guān)系。與變間隙型相比，適用于較大角位移及直線位移的測(cè)量。這種傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)。還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測(cè)量溫

3、度、濕度、容量(圖d)等3、變介電常數(shù)型電容傳感器按結(jié)構(gòu)分類平板式圓柱、圓筒式差動(dòng)式單體式電容式液位計(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接近開關(guān)外形濕敏電容傳感器外形原理：變介質(zhì)型特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量應(yīng)用：紙張、絕緣薄膜等電容式厚度傳感器其他應(yīng)用：1、變間隙式：s定極板動(dòng)極板：極板間介質(zhì)介電常數(shù) 0：真空介電常數(shù) r：極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù) ：極板間距離 s ：極板有效覆蓋面積 4.2 電容式傳感器靈敏度及非線性靈敏度K與極板間距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。例如：電容式壓力傳感器，0.10.2mm

4、，C=20100pF，可測(cè)小至0.01um的線位移。適合于微位移的測(cè)量。初始極距過小容易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)。靈敏度分析：非線性誤差分析：只考慮線性項(xiàng)：非線性誤差：討論：為了保證一定的線性度，應(yīng)限制動(dòng)極板的位移量。通常規(guī)定測(cè)量范圍 0,，此時(shí)，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。電容量C與極距呈非線性關(guān)系，減小初始極距將增大非線性誤差。 在實(shí)際應(yīng)用中, 為了提高靈敏度、減小非線性誤差, 大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)：差動(dòng)結(jié)構(gòu)分析靈敏度提高一倍非線性減小靈敏度：非線性誤差：差動(dòng)結(jié)構(gòu)分析2、變面積式bax說明：靈敏度為一常數(shù)，輸出特性是線性的

5、。b、k適合于測(cè)量較大的直線位移和角位移。思考：用于角位移測(cè)量的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖。A、B為同一平面、形狀和尺寸均相同且互相絕緣的定極板。動(dòng)極板C平行于A、B，并在自身平面內(nèi)繞O點(diǎn)擺動(dòng)。初始時(shí)，C處于A、B的中心。設(shè)極板間距為d。試推導(dǎo)：（1）初始時(shí)電容值。（2）當(dāng)C向右移動(dòng)角位移 后電容值。 (3)靈敏度。3、變介電常數(shù)式電容式液位計(jì)1：液體介質(zhì)的介電常數(shù)0: 空氣的介電常數(shù)； H: 電極板的總長(zhǎng)度；d 、 D：電極板的內(nèi)、外徑；另一種變介電常數(shù)的電容式傳感器：d不變， 改變，如：測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體介質(zhì)的濕度。不變，d改變，如：測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度d0 rs氣

6、隙一、特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)輸入能量小而靈敏度高。極距變化型電容壓力傳感器只需很小的能量就能改變電容極板的位置，因此電容傳感器可以測(cè)量很小的力，而且很靈敏。精度高達(dá)0.01%電容式傳感器已有商品出現(xiàn)，如一種250mm量程的電容式位移傳感器，精度可達(dá)5m。機(jī)械損失小。自身發(fā)熱量很小，又無摩擦，具有很高的精度。 動(dòng)態(tài)特性好。活動(dòng)部件質(zhì)量小，因此固有頻率高。適于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好。在振動(dòng)、強(qiáng)輻射以及很大的溫度變化的惡劣環(huán)境下工作。4.3 電容式傳感器的特點(diǎn)及等效電路電容式傳感器的特點(diǎn)2、缺點(diǎn)輸出阻抗高，大到幾十兆歐幾百兆歐，帶負(fù)載能力差。輸出特性非線性較嚴(yán)重。寄生電容的影響較大，從而導(dǎo)致工作不

7、穩(wěn)定，降低靈敏度。寄生電容：電容的極板與周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容。R：串聯(lián)損耗電阻。引線電阻、金屬極板電阻等。(高頻)Rp：并聯(lián)電阻。直流漏電阻、氣隙介質(zhì)損耗等。（低頻）L：電容器及引線的動(dòng)態(tài)電感。（高頻）Cp：A、B兩端的寄生電容。二、等效電路分析RpRLC二、等效電路分析Rp與并聯(lián)的 相比很大，故忽略并聯(lián)大電阻Rp 。R與串連的 相比很小，故忽略串連小電阻R。高頻情況下，L對(duì)A、B端等效電容的影響。所以改變電源頻率、更換電纜，必須重新標(biāo)定。電容傳感器測(cè)量必須在同樣條件下進(jìn)行。傳感器有效電容：Ce一、交流電橋平衡條件為4.4 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路交流電橋的平衡條件： 式中，zi各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗(

8、i=1,2,3,4）；Zi復(fù)數(shù)阻抗的模（i=1,2,3,4）；i復(fù)數(shù)阻抗的阻抗角（i=1,2,3,4）。相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的模之積相等；且相對(duì)兩臂復(fù)阻抗的幅角之和相等。電容傳感器常用交流電橋形式當(dāng)橋路電源電壓與傳感元件阻抗相對(duì)變化量 一定時(shí)相鄰橋臂初始阻抗的模相等 ，并使兩橋臂阻抗幅角差 盡量大，可以提高電橋電壓靈敏度 。電容傳感器常用交流電橋形式分析提高電橋電壓靈敏度？圖4-13（h）二、變壓器電橋等效電路圖：E1E2C1C2I1I2IfZf(4-14)說明：Z時(shí)，U=f(），成線性關(guān)系。USC與電源電壓有關(guān)，所以必須交流穩(wěn)壓。采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。變壓器電橋輸出電路例：自動(dòng)平衡電橋工作過程無油

9、時(shí)，起始電容Cx=Cx0，若使Cx0=C0，此時(shí)輸出為零，指針指零，電橋無輸出，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài), E1Cx0= E2C0油量變化時(shí)，Cx=Cx0+Cx Cx =k1h電橋不平衡輸出U 放大兩相電極轉(zhuǎn)動(dòng)減速指針指示電位器電刷轉(zhuǎn)動(dòng) 改變E電橋恢復(fù)平衡輸出電壓為零、電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)、指針停在某角度上。所以，指針轉(zhuǎn)角與h成線性關(guān)系電容式油量表 機(jī)械式油量表： 在油箱內(nèi)，裝有類似衛(wèi)生間水箱里的浮球，通過杠桿帶動(dòng)電阻絲式圓盤電位器，由電流表指示出油量。 該油量表可用于飛機(jī)油箱三、雙T型沖放電網(wǎng)絡(luò)（二極管式線路）下頁上頁 當(dāng)U為正半周時(shí), 二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止。于是電容C1很快被充電至電壓U，電源U經(jīng)

10、R1以電流I1向負(fù)載RL供電; 與此同時(shí)，電容C2經(jīng)R2和RL放電電流為I2，流過RL的電流為I1、I2的和IL。同理負(fù)半周。當(dāng)C1=C2,R1=R2，則電流IL =IL, 且方向相反, 在一個(gè)周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。 若傳感器輸入不為 0, 則C1 C2, 那么ILIL, 此時(shí)RL上必定有信號(hào)輸出, 其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為輸出電壓Uo不僅與電源電壓的幅值和頻率有關(guān), 而且與T型網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)。 當(dāng)電源電壓確定后, 輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)。電路的靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān), 故輸入電源要求穩(wěn)定。雙T型沖放電網(wǎng)絡(luò)仿真圖4-16UFMN四、脈沖調(diào)寬型電路U

11、AU10tUBU10tUABU10tUAU10tUBU10tUABU10tUMUf0tT1UNUf0tT2UMUf0tT1UNUf0tT2時(shí)序圖設(shè)R1=R=R2，得：(4-17)對(duì)于變極距型差分電容傳感器對(duì)于變面積型差分電容傳感器(4-17)無論是變間隙、變面積電容傳感器都能線性輸出。輸出為矩形波只需經(jīng)低通濾波器引出即可。不需要解調(diào)。將差動(dòng)電容傳感器的輸出變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成有極性方向和大小輸出的直流信號(hào)。由于低通濾波的作用，對(duì)輸出矩形波的純度要求不高。要求精度較高的直流電源。 脈沖調(diào)寬型電路說明：五、調(diào)頻電路 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為 LC 振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容Cx

12、發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率 f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 圖4-10調(diào)頻電路六、運(yùn)放式線路 K CxC0UUSCIXI0按理想運(yùn)算放大器的條件：從原理上解決了單電容變間隙傳感器的非線性問題。實(shí)際上，Zi，K ，所以，存在一定非線性， Zi 、K很大，非線性很小。USC與C0、U有關(guān)，所以需要高精度交流穩(wěn)壓源、高質(zhì)量電容C0特別適合于結(jié)構(gòu)上不能用差動(dòng)電容傳感器的場(chǎng)合。0b0g0a00: 極板間隙；g0 : 固定極板厚；b0 : 絕緣件厚4.5 電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響溫度誤差與零件的尺寸、熱膨脹系數(shù)有關(guān)要減小溫度變化的影響，可以：減少熱膨脹尺寸鏈的組成環(huán)節(jié)。選用熱膨脹系數(shù)小、幾何

13、尺寸穩(wěn)定的材料如：石英、陶瓷、玻璃、鎳鐵合金等。其中尤以絕緣套材料為最重要。采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。說明：溫度變化對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響如，同心圓柱式傳感器，液面高度H：溫度變化使得改變，引起電容量的變化為：燃油：保證絕緣材料的絕緣性能電容傳感器電容量小、阻抗高，絕緣問題突出。措施：選擇優(yōu)質(zhì)絕緣材料，玻璃、石英、陶瓷、尼龍等。裝配前嚴(yán)格清洗。傳感器殼體密封，防止水汽進(jìn)入。采用較高頻率的電源供電，以降低內(nèi)阻抗，相應(yīng)降低對(duì)絕緣電阻的要求。R漏電阻C邊緣效應(yīng)使電容傳感器的靈敏度降低、產(chǎn)生非線性邊緣效應(yīng)與極板的厚度/極距有關(guān)。比值越大，影響越大。消除和減小邊緣效應(yīng)措施：采用帶保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)；

14、減小極板厚度。消除和減小寄生電容的影響寄生電容：電容器極板與周圍導(dǎo)體之間產(chǎn)生電容聯(lián)系。寄生電容不穩(wěn)定 傳感器輸出不穩(wěn)定 產(chǎn)生干擾（屏蔽）電纜寄生電容較大（可達(dá)100pf/m） ，與傳感器電容并聯(lián)：電纜位置、形狀改變，使傳感器極不穩(wěn)定。增加原始電容值可減小寄生電容的影響。注意傳感器的接地和屏蔽。采用組合式與集成技術(shù)。將傳感器、前置級(jí)組合在一個(gè)殼體內(nèi)，省去其間的電纜。采用“驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)(也稱雙層屏蔽等位傳輸技術(shù))。采用運(yùn)算放大器法整體屏蔽法。消除和減小寄生電容的方法4.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例差分式電容壓力傳感器感壓敏感元件電容式差壓變送器 高壓側(cè)進(jìn)氣口低壓側(cè)進(jìn)氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位

15、置感壓膜片采用張緊式結(jié)構(gòu)。感壓腔充灌溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定的硅油作為介質(zhì)?？梢猿惺艹邏骸⑿翰睿ㄟ^載保護(hù)能力強(qiáng)）P=p-p=100Mpa-99Mpa=2Mpa-1Mpa采用球面電極，改善性能工藝要求高：張緊膜片與殼體的焊接困難說明：壓力通過兩側(cè)或一側(cè)隔離膜片、灌充液作用在敏感元件張緊的測(cè)量膜片上,測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣體上的電容極板各組成一個(gè)電容器.在無壓力通入或兩側(cè)壓力均等時(shí)測(cè)量膜片處于中間位置,兩個(gè)電容器的電容量相等.當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí),致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移,其位移量和壓力差成正比,這種位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板上形成的差動(dòng)電容.由電子線路把差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成4-20mADC的二線制電流信號(hào),電容式差壓變

16、送器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1高壓側(cè)進(jìn)氣口 2低壓側(cè)進(jìn)氣口 3過濾片 4空腔 5柔性不銹鋼波 紋隔離膜片 6導(dǎo)壓硅油 7 凹形玻璃圓片 8鍍金凹形電極 9彈性平膜片 10 腔各種電容式差壓變送器外形 各種電容式壓力變送器外形（續(xù)） 利用電容差壓變送器測(cè)量液體的液位 差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比： p = g h電容差壓變送器用于測(cè)量液體的液位 投入式液位計(jì)電容式液位測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理圖示為幾種用于連續(xù)測(cè)量的電容探頭結(jié)構(gòu)。用一電容探頭感受物面位置的變化。如果容器壁由導(dǎo)電材料制成，則只需裝入電極1或3或4，容器壁作為另一電極與外殼相連（接地）。如果容器壁由非金屬材料制成，則必須使用具有內(nèi)

17、外電極的管式電極2，或?qū)﹄姌Ol、3、4另附一個(gè)反電極5。測(cè)量時(shí)，電容器的上部隔著空氣，下部充滿液體或其它材料?？諝獾慕殡姵?shù)0l，被測(cè)物的介電常數(shù)為r。物位變化時(shí)，電容器的電容變化值C與被測(cè)材料的物位高度x成線性關(guān)系。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)定按鈕圖所示是一些進(jìn)行物位極限位

18、置監(jiān)控的電容測(cè)頭結(jié)構(gòu)。這時(shí)不再希望探頭的電容值在整個(gè)高度范圍內(nèi)線性變化，而是希望物位在達(dá)到極限位置時(shí)電容能發(fā)生突變。l和2是絕緣的電極，3是側(cè)面安裝的電極，它以70角傾斜安裝可防止被測(cè)液的粘附，4是平面電極，可用于一些不能在內(nèi)部插入電容探頭的容器內(nèi)物位的測(cè)量，如攪拌器。 電容式液位限位傳感器在物位測(cè)量控制中的使用演示電容式液位限位傳感器在液位測(cè)量控制中的使用電容式料位傳感器電容式物位變送器探頭與容器壁形成一個(gè)電容器。一般采用單電極式。電容極板（探頭與容器壁）的表面積、兩極板之間的距離及被測(cè)物料的介電常數(shù)決定電容量的大小。當(dāng)探頭固定安裝于容器壁上后，被測(cè)物料之介電常數(shù)不變時(shí)，此刻的電容量?jī)H取決于

19、被測(cè)物料的高度，并與物位成正比。通過變送器將測(cè)出的電容量轉(zhuǎn)換為連續(xù)的420mA模擬信號(hào)輸出。電容量與料位的關(guān)系：電容式接近開關(guān) 電容式接近開關(guān)亦屬于一種具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它的測(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是物體的本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的電容量發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的RC振蕩器開始振蕩 ，由此便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷。被檢測(cè)物體可以是導(dǎo)電體、介質(zhì)損耗較大的絕緣體、含水的物體（例如飼料、人體等）；廣泛應(yīng)用于機(jī)械，礦山，造紙，煙草，塑料，化工，治金，輕工，汽車，電力，保安，鐵路，航天等各個(gè)行業(yè) 。 全密封防水式遠(yuǎn)距離式（大量程）非接觸電容式位移傳感器

20、非接觸電容位移傳感器可測(cè)量各種導(dǎo)電材料的間隙、長(zhǎng)度、尺寸或位置?？蓪?shí)現(xiàn)高的線性測(cè)量。具有特別高的分辨率，以及穩(wěn)定性。電容位移傳感器使用場(chǎng)合要求干凈，任何油污、塵埃、水等介質(zhì)進(jìn)入傳感器間隙中，都將影響測(cè)量結(jié)果。位移測(cè)量 彎曲、波動(dòng)變形移動(dòng)、位移位置、膨脹振動(dòng)、偏心位置、膨脹沖擊、變形軸向竄動(dòng)閥門位移活塞移動(dòng) 厚度、輪廓偏心、直徑同心度壓縮機(jī)葉片間隙、轉(zhuǎn)速濕敏電容 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，所以電容量增大。 濕敏電容外形吸水高分子薄膜電容多孔性氧化鋁濕敏電容傳

21、感器外形 濕敏電容傳感器的安裝使用在野外的使用帶報(bào)警器的家庭使用型圖4-21 電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖電容式加速度傳感器硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測(cè)量交變加速度（振動(dòng)），也可測(cè)量慣性力或重力加速度。加速度測(cè)量范圍為數(shù)個(gè)g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的脈沖。硅微加工加速度傳感器原理 1加速度測(cè)試單元 2信號(hào)處理電路 3襯底 4底層多晶硅（下電極） 5多晶硅懸臂梁 6頂層多晶硅（上電極） 利用微電子加工技術(shù)，可以將一塊多晶硅加工成多層結(jié)構(gòu)。在硅襯底上，制造出三個(gè)多晶硅電極，組成差動(dòng)電容C1、C2。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動(dòng)。中間層多晶硅是一個(gè)可以上下微動(dòng)的振動(dòng)片。其左端固定在襯底上，所以相當(dāng)于懸臂梁。 當(dāng)它感受到上下振