ch4+電容式傳感器及其應(yīng)用(傳感器原理及其應(yīng)用)(南大)俞阿龍

第4章電容式傳感器應(yīng)用：在位栘、壓力、厚度、物位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析的測(cè)量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。利用電容器的原理，將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器件。HM1500濕度傳感器學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握各類(lèi)電容傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)。2.分析各種電容式傳感器測(cè)量電路的特點(diǎn)。3.掌握電容式傳感器的應(yīng)用。4.1電容式傳感器的工作原理及類(lèi)型Adε由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器,如果不考慮邊緣效應(yīng),其電容量為式中:ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù);S——兩極板間相對(duì)有效面積;d——兩極板間的距離。一、電容式傳感器的工作原理（4-1）Adε在d、S和ε三個(gè)參數(shù)中，保持其中兩個(gè)不變，改變另一個(gè)參數(shù)就可以使電容量C發(fā)生改變。三種基本類(lèi)型：變極距(變間隙)(d)型變面積型(S)型變介電常數(shù)(ε)型S二、電容式傳感器類(lèi)型按結(jié)構(gòu)分類(lèi)平板式圓柱、圓筒式按原理分類(lèi)：變間隙電容傳感器變面積電容傳感器變介電常數(shù)電容傳感器定極板動(dòng)極板當(dāng)傳感器的ε和S為常數(shù),初始極距為d0時(shí),可知其初始電容量C0為1、變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器d21極距增加Δd時(shí)：其輸出特性是雙曲線函數(shù)關(guān)系，存在著非線性。CC0C—d特性曲線當(dāng)Δd《d很小時(shí)，上式可按級(jí)數(shù)展開(kāi)電容的相對(duì)變化量：靈敏度：若略去非線性項(xiàng)，保留常數(shù)項(xiàng)測(cè)微小量，靈敏度與初始極距平方成反比減小非線性誤差：⑴Δd/d0很小時(shí)，C與Δd近似呈線性關(guān)系⑵采用差動(dòng)形式的電容傳感器采用差動(dòng)形式的變氣隙式電容傳感器極距變化型差動(dòng)式輸出特性(動(dòng)極板向上運(yùn)動(dòng)):偶次項(xiàng)消失！差動(dòng)式比單組式電容傳感器的非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。單組式差動(dòng)式差動(dòng)式比單組式電容傳感器的靈敏度提高一倍。靈敏度分析：當(dāng)d0過(guò)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),此時(shí)電容C變?yōu)槭街?εg——云母的相對(duì)介電常數(shù);ε0——空氣的介電常數(shù),ε0=1;d0——空氣隙厚度;dg——云母片的厚度。提高靈敏度：d0↓差動(dòng)式云母片的相對(duì)介電常數(shù)是空氣的7倍,其擊穿電壓不小于1000kV/mm,而空氣的僅為3kV/mm。因此有了云母片,極板間起始距離可大大減小。一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20～100pF之間,極板間距離在25～200μm的范圍,最大位移應(yīng)小于間距的1/10,故在微位移測(cè)量中應(yīng)用最廣。

變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖2、變面積型電容式傳感器極板線位移變面積式傳感器Lbd直線位移角位移定極板動(dòng)極板Lbd當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)定極板向右平移時(shí)，其相應(yīng)的電容為：電容的相對(duì)變化量為：與顯而易見(jiàn)呈線性關(guān)系。直線位移注意：變面積電容傳感器，可動(dòng)極板的移動(dòng)距離不能太大，否則邊緣效應(yīng)增加，產(chǎn)生非線性，影響測(cè)試精度。采用差動(dòng)式，可獲得較大的線位移或角位移，提高靈敏度和克服邊緣效應(yīng)。C1C2平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極板移動(dòng)變化特別敏感，測(cè)量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。L—外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長(zhǎng)度；D0

—外圓筒內(nèi)半徑D1

—內(nèi)圓柱外半徑。LD1D0定極板動(dòng)極板線位移單組式的電容量C為：當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)ΔL時(shí)，電容變化量ΔC為:這類(lèi)傳感器具有良好的線性,大多用來(lái)檢測(cè)位移等參數(shù)。LD1D0定極板動(dòng)極板定極板動(dòng)極板角位移當(dāng)動(dòng)極板有一角位移時(shí)θ時(shí)，與定極板的遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)θ=0時(shí)，當(dāng)θ≠0時(shí)，電容的相對(duì)變化量為：與顯而易見(jiàn)呈線性關(guān)系?？偨Y(jié)類(lèi)型線性靈敏度工作范圍變極距單組差動(dòng)最小改善變面積角度、直線平板、圓筒線性一般較小較大3、變介質(zhì)常數(shù)型電容傳感器常用來(lái)檢測(cè)片狀材料的厚度、容器中液面高度，還可用來(lái)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)、溫度、濕度等。C1C2Cd1d2測(cè)厚儀介電常數(shù)測(cè)試儀測(cè)厚儀總電容為C1與C2串聯(lián)的結(jié)果C1CC2可見(jiàn)，傳感器電容量C與被測(cè)液位高度h

成線性關(guān)系。

電容液位計(jì)H2r12r2hε1ε0總電容為C1與C2并聯(lián)的結(jié)果☆例:某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個(gè)同心圓柱體組成。儲(chǔ)存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲(chǔ)存液體的εr＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及用在儲(chǔ)存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：4.2電容式傳感器的等效電路和測(cè)量電路被測(cè)物理量→電容→轉(zhuǎn)換電路→電壓或其它電量電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路就是將電容式傳感器看成一個(gè)電容并將其轉(zhuǎn)換成電壓或其它電量的電路圖中C為傳感器電容，Rp為極板間漏電和介質(zhì)損耗電阻；Rs包含導(dǎo)線、極板間和金屬支座等損耗電阻；Ls為電容器及引線電感；Cp為寄生電容，并聯(lián)關(guān)系。電容傳感器的等效電路s一、等效電路電路的諧振頻率：一般，Rp、Rs可忽略，等效電容、等效阻抗：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。供電電源頻率必須低于該諧振頻率，一般為其1/3～1/2，傳感器才能正常工作電容式傳感器中電容值以及電容變化都非常小,難以直接為目前的顯示儀表所顯示！二、電容式傳感器的測(cè)量電路借助測(cè)量電路以檢出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電橋電路二極管雙T型交流電橋脈沖寬度調(diào)制電路等運(yùn)算放大器式電路1、電橋電路

電容式傳感器→交流電橋橋臂

若另兩個(gè)臂是緊耦合電感臂的電橋，則具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，大大簡(jiǎn)化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。

變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。C1C2R3R4UC1C2C3C4U電容電橋的主要特點(diǎn)：(1)高頻交流正弦波供電；(2)電橋輸出調(diào)幅波，要求電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；(3)通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋；(4)輸出阻抗很高(一般達(dá)幾兆歐至幾十兆歐)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。2、二極管雙T型交流電橋

高頻電源,它提供幅值為UE的對(duì)稱(chēng)方波VD1、VD2為特性完全相同的兩個(gè)二極管,R1=R2=R,C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，當(dāng)傳感器沒(méi)有輸入時(shí),C1=C2

電路工作原理:正半周1：VD1√、VD2×,C1充電;負(fù)半周1：C1上的電荷通過(guò)R1、RL放電,流過(guò)RL的電流為I1。同時(shí)VD2√、VD1×,→C2充電;正半周2：C2通過(guò)電阻R2,負(fù)載電阻RL放電,流過(guò)RL的電流為I2。根據(jù)上面所給的條件,則電流I1=I2,且方向相反,在一個(gè)周期內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零。若傳感器輸入不為0,則C1≠C2→I1≠I(mǎi)2→RL上有信號(hào)輸出,其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為f為電源頻率電路的特點(diǎn)：(1)線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；(2)電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；(3)輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)；(4)適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器。接通電源Q=1,=0：A點(diǎn)高電位通過(guò)R1對(duì)C1充電,τ1=R1C1,直至F點(diǎn)電位高于Ur,比較器A1輸出正跳變信號(hào)。與此同時(shí),因=0,電容器C2通過(guò)VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號(hào)激勵(lì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),使Q=0,=1,于是A點(diǎn)為低電位,C1通過(guò)VD1迅速放電,而B(niǎo)點(diǎn)高電位通過(guò)R2對(duì)C2充電,時(shí)間常數(shù)為τ2=R2C2,直至G點(diǎn)電位高于參比電位Ur。3、脈沖寬度調(diào)制電路C1、C2：電容傳感器；R1=R2,A1、A2為比較器。UrU1—觸發(fā)器輸出高電平;T1、T2—C1、C2充放電至Ur所需時(shí)間。Ur設(shè)R1=R2=R，則得輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比結(jié)合平行板電容的公式,在變極板距離的情況下可得d1、d2分別為C1、C2極板間距離由此可見(jiàn),差動(dòng)脈寬調(diào)制電路能適用于變極板距離以及變面積式差動(dòng)式電容傳感器,并具有線性特性,且轉(zhuǎn)換效率高,經(jīng)過(guò)低通放大器就有較大的直流輸出,且調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出沒(méi)有影響。當(dāng)差動(dòng)電容C1=C2=C0,即d1=d2=d0時(shí),uAB=0;當(dāng)C1≠C2,設(shè)C1>C2,即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,則同樣,在變面積電容傳感器中,則有4、運(yùn)算放大器式電路

運(yùn)算放大器式電路原理圖-A～UoCoCxUi∑運(yùn)算放大器的輸出電壓與極板間距離d呈線性關(guān)系Cx傳感器電容；C0固定電容4.3電容式傳感器主要性能及特點(diǎn)一、主要性能靜態(tài)靈敏度非線性二、特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)(1)溫度穩(wěn)定性好傳感器的電容值一般與電極材料無(wú)關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發(fā)熱極小)影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過(guò)載等情況下都能正常工作，能測(cè)超高壓和低壓差，也能對(duì)帶磁工件進(jìn)行測(cè)量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測(cè)量。(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動(dòng)態(tài)測(cè)量?？捎糜跍y(cè)量高速變化的參數(shù)，如測(cè)量振動(dòng)、瞬時(shí)壓力等。(4)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、具有平均效應(yīng)當(dāng)被測(cè)件不能允許采用接觸測(cè)量的情況下,電容傳感器可以完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測(cè)量時(shí),電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測(cè)量，例如測(cè)量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。2、缺點(diǎn)(1)輸出阻抗高、負(fù)載能力差

電容式傳感器的容量一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，帶負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)不便。(2)寄生電容影響大

引線電纜電容(l～2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測(cè)量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周?chē)鷮?dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。①降低了傳感器的靈敏度；②這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度，(3)輸出特性非線性變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)改善，但不可能完全消除。其他類(lèi)型的電容傳感器只有忽略了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出特性才呈線性。上述不足直接導(dǎo)致電容式傳感器測(cè)量電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服，成為一種大有發(fā)展前途的傳感器。三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是與其正確設(shè)計(jì)、選材以及精細(xì)的加工工藝分不開(kāi)的。在設(shè)計(jì)傳感器的過(guò)程中，應(yīng)盡量使它具有低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)等。

1．保證絕緣材料的絕緣性能減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差,以保證絕緣材料的絕緣性能。

溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變,從而改變傳感器的電容量,產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能