傳感器技術(shù)第4講電容式傳感器課件

1、第4課 電容式傳感器第一節(jié)、工作原理及特性 一、 什么是電容式傳感器？ 將被測(cè)參數(shù)變換成電容量的一種傳感器。它的轉(zhuǎn)換元件實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 第1頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性二、原理 用兩塊金屬平板作電極，即可構(gòu)成最簡(jiǎn)單的電容器。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量為： 式中： S兩極板間相互覆蓋的面積，m2； d兩極板間的距離，m； 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，F(xiàn)m；第2頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性二、原理電容量為： 由上式可知，電容器容量C的大小與S、d和有關(guān)，若保持這三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)不變而改變另一個(gè)，則C就會(huì)發(fā)生變化。這實(shí)際上就是電容式傳感器的基本原理。第3頁(yè)，共40頁(yè)

2、。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 根據(jù)發(fā)生變化的參數(shù)的不同，電容式傳感器相應(yīng)地分為以下三種類型。 （一）變面積型（二）變間隙型（三）變介電常數(shù)型第4頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （一）變面積型 變面積型電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱為定極板；另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為動(dòng)極板。根據(jù)動(dòng)極板相對(duì)定極板的移動(dòng)情況，變面積型電容傳感器又分為角位移式和直線位移式兩種。 第5頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （一）變面積型(二種）角位移式直線位移式第6頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （一）變面積型1、角位移式工作原理當(dāng)被測(cè)量的變化引起動(dòng)極板有一角度位移時(shí)，

3、兩極間相互覆蓋的面積改變了 ，從而也就改變了兩極板間的電容量C 。由上式可見(jiàn),電容量C與角位移呈線關(guān)系第7頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （一）變面積型2、直線位移式工作原理當(dāng)被測(cè)量的變化引起動(dòng)極板移動(dòng)距離X時(shí)，則S發(fā)生變化，C也就改變了特點(diǎn)：1、容量與角位移或直線位移呈線性關(guān)系； 2、減小兩極板的距離d或增大極板寬度b可提高傳感器靈敏度。第8頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （二）變間隙型 變間隙型電容傳感器有一個(gè)定極板和一個(gè)動(dòng)極板，當(dāng)動(dòng)極板隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，兩極板的間距d就發(fā)生了變化，從而也就改變了兩極板間的電容量C。 1、基本結(jié)構(gòu)2、差動(dòng)結(jié)構(gòu)第9頁(yè)，共40頁(yè)

4、。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （二）變間隙型1、基本結(jié)構(gòu)初始電容量：當(dāng)動(dòng)極板隨被測(cè)量的變化引起間距減小了d 時(shí)，電容量就變化為：d第10頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （二）變間隙型1、基本結(jié)構(gòu)當(dāng)dd0時(shí)，上式可展開為級(jí)數(shù)形式第11頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （二）變間隙型1、基本結(jié)構(gòu)顯然，C/C0與 d之間是非線性關(guān)系，只有當(dāng)d/d01時(shí)，忽略級(jí)數(shù)式的高次項(xiàng)，才能近似線性關(guān)系ooo第12頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （二）變間隙型 差動(dòng)結(jié)構(gòu)的變間隙型電容傳感器采用兩塊定極板，在二者之間分別放一塊動(dòng)極板。當(dāng)動(dòng)極向下移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)電容器的間距分別

5、為：2、差動(dòng)結(jié)構(gòu)C1的間隙為：C2的間隙為：第13頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （三）變介電常數(shù)型變介電常數(shù)型電容傳感器常用來(lái)檢測(cè)容器中液面的高度和測(cè)厚度。原理：在介電常數(shù)為x的被測(cè)液體中，放入兩個(gè)同心圓筒狀電極，液體上面氣體的介質(zhì)常數(shù)為 ，液體浸沒(méi)電極的高度就是被測(cè)量x.1、電容式液面計(jì)第14頁(yè)，共40頁(yè)。第一節(jié)、工作原理及特性三、類型 （三）變介電常數(shù)型2、電容式測(cè)厚儀xdAB第15頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 為什么要借助測(cè)量電路來(lái)檢測(cè)電容器的電容變化量？ 由電容器的電容量計(jì)算公式得知：改變其中的、S、d任一值都會(huì)引起容量改變。但受電容擊穿電壓和體積等限制，使電容器傳感

6、器的輸出電容值非常小，通常只有幾皮法至幾十皮法，不便直接顯示、記錄，更難以傳輸。所以，需要測(cè)量電路來(lái)檢測(cè)這一微小的電容量，并轉(zhuǎn)換成正比的電壓、電流或頻率等信號(hào)。第16頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 一、類型 1、調(diào)幅型 2、脈寬調(diào)制型 3、調(diào)頻型 第17頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 1、調(diào)幅型 這種電路輸出的是幅度值，并且正比于或近似正比于被測(cè)信號(hào)。該電路有兩種： （1）交流電橋電路 （2）運(yùn)算放大器電路第18頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 1、調(diào)幅型 （1）交流電橋電路-單臂接法 ABCD第19頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 1、調(diào)幅型 （1）交流電橋電路-差動(dòng)接法 -+-+第20頁(yè)，共4

7、0頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 （1）交流電橋電路-差動(dòng)接法 1、調(diào)幅型 （1）交流電橋電路-單臂接法 非線性關(guān)系線性關(guān)系第21頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 1、調(diào)幅型 （1）交流電橋電路 （2）運(yùn)算放大器電路基本電路傳感器電容固定電容第22頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 1、調(diào)幅型 （1）交流電橋電路 （2）運(yùn)算放大器電路可調(diào)零電路第23頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 2、脈寬調(diào)制型 該電路用于測(cè)量差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容器的輸出電壓UAtUBt當(dāng)C1=C2時(shí),UA= UB所以 U0=0第24頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 2、脈寬調(diào)制型 該電路用于測(cè)量差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容器的輸出電壓當(dāng)C1C2時(shí),UA UB所以

8、 U0=有輸出UAtUBt第25頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 3、調(diào)頻型 該電路的基本原理是把電容式傳感器接入高頻振蕩器回路中，當(dāng)傳咸器的輸出電容量在被測(cè)量作用下發(fā)生變化時(shí)振蕩頻率亦相應(yīng)地變化，即振蕩器頻率受傳感器輸出電容的調(diào)制，故稱調(diào)頻型第26頁(yè)，共40頁(yè)。第二節(jié) 測(cè)量電路 種類和形式電 路輸出U0與被測(cè)電容C之間的關(guān)系特 性調(diào)幅型交流電橋電路單臂接法輸出UO與C之間是非線性關(guān)系差動(dòng)接法輸出UO與C之間是線性關(guān)系運(yùn)算放大器電路基本電路輸出UO與C之間是線性關(guān)系可調(diào)零電路輸出UO與C之間具有線性輸出特性脈寬調(diào)制型輸出UO與C之間具有線性輸出特性調(diào)頻型抗外來(lái)干擾能力強(qiáng)，特性穩(wěn)定，且能取得較高的

9、直流輸出信號(hào)。第27頁(yè)，共40頁(yè)。第三節(jié) 實(shí)際中存在的問(wèn)題及解決方法 一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響及解決方法二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng) 三、寄生電容的影響 第28頁(yè)，共40頁(yè)。第三節(jié) 實(shí)際中存在的問(wèn)題及解決方法 一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響及解決方法 環(huán)境溫度的改變將引起電容式傳感器各部分零件幾何尺寸和相互間幾何位置的變化，從產(chǎn)生附加電容變化。而產(chǎn)生附加電容變化。尤其對(duì)于變間隙型電容傳感其極板間距僅為幾十微米至幾百微米，溫度引起的尺寸相對(duì)變化就可能相當(dāng)大，從而造成很大的特性溫誤差 動(dòng)極板定極板絕緣材料第29頁(yè)，共40頁(yè)。第三節(jié) 實(shí)際中存在的問(wèn)題及解決方法 一、溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響及解決方法由上式可見(jiàn)，在設(shè)

10、計(jì)電容傳感器時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)合理的初始電容量決定間隙d0，然后根據(jù)材料的線膨脹系數(shù)適當(dāng)?shù)剡x擇h1和h2，以盡量滿足上式的溫度補(bǔ)償條件。1、選用溫度膨脹系數(shù)小、幾何尺寸穩(wěn)定的材料。（陶瓷、鐵鎳合金）2、采用差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。3、在測(cè)量電路中加以補(bǔ)償。 第30頁(yè)，共40頁(yè)。第三節(jié) 實(shí)際中存在的問(wèn)題及解決方法 二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng) 理想條件下，平行板電容器的電場(chǎng)均勻分布于兩極板相互覆蓋的空間，但實(shí)際上，在極板的邊緣附近，電場(chǎng)分布是不均勻的，從而使電容的實(shí)際計(jì)算公式變得相當(dāng)復(fù)雜。這種電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)相當(dāng)于傳感器并聯(lián)了一個(gè)附加電容，其結(jié)果使傳感器的靈敏度下降和非線性增加。 第31頁(yè)，共40頁(yè)。第三節(jié) 實(shí)際中存

11、在的問(wèn)題及解決方法 二、電容電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)解決方法：1首先應(yīng)增大電容器的初始電容量，即增大極板面積和減小極板間距。2加裝等位環(huán)。如圖所示，在極板A的同一平面內(nèi)加一個(gè)同心環(huán)面G。A和G在電氣上相互絕緣，二者之間的間隙越小越好。這就可使A、B間的電場(chǎng)接近理想的均勻分布了。加裝等位環(huán)的電容器有三個(gè)端子A、B、G。 第32頁(yè)，共40頁(yè)。第三節(jié) 實(shí)際中存在的問(wèn)題及解決方法 三、寄生電容的影響 我們知道，任何兩個(gè)導(dǎo)體之間均可構(gòu)成電容聯(lián)系。電容式傳感器除了極板間的電容外，極板還可能與周圍物體(包括儀器中的各種元件甚至人體)之間產(chǎn)生電容聯(lián)系，這種電容稱為寄生電容。由于傳感器本身電容很小，所以寄生電容可能使傳感

12、器電容量發(fā)生明顯改變；而且寄生電容極不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致傳感器特性的不穩(wěn)定，對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。解決方法：1、靜電屏蔽。（即將電容器極板放置在金屬殼體內(nèi)，并將殼體良好接地。）2、引出線也必須用屏蔽線，且屏蔽線外3、采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)，也稱雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)。將電極引出線進(jìn)行內(nèi)外雙層屏蔽第33頁(yè)，共40頁(yè)。第四節(jié) 應(yīng)用舉例 一、差動(dòng)電容式壓力傳感器（壓力傳感器） 原理： 該傳感器工作時(shí)，差動(dòng)壓力分別作用在兩隔離膜片上，通過(guò)硅油傳遞至感壓膜片，使其產(chǎn)生撓曲變形，而引起差動(dòng)電容變化。再經(jīng)引出線接姜測(cè)量電路。 為了測(cè)量小差壓，感壓膜片做的很薄(約005025ram)。 絕緣體電極板電極板感壓膜片引出線油硅隔離膜片隔離膜片第34頁(yè)，共40頁(yè)。第四節(jié) 應(yīng)用舉例 一、差動(dòng)電容式壓力傳感器（壓力傳感器） 特點(diǎn)：1.別通用于管道中絕對(duì)壓力很高但差壓很小的場(chǎng)合2.精度高、耐振動(dòng)、耐沖擊、可靠好。3.但制造工藝要求很高，尤其是感壓膜片的焊接是一工藝難題。絕緣體電極板電極板感壓膜片引出線油硅隔離膜片隔離膜片第35頁(yè)，共40頁(yè)。第四節(jié) 應(yīng)用舉例 二、電容式測(cè)微儀 電容式測(cè)微儀