传感器4章 电容式传感器

第四章电容式传感器 4 1工作原理 结构及特性4 2应用中存在的问题及改进措施4 3测量电路4 4电容式传感器及其应用 电容式传感器是将非电量的变化转换成电容量的变化 结构简单 分辨率高 可非接触测量 并能在高温 辐射和强烈振动等恶劣环境工作 微机械结构集成化电容传感器将成为一种很有前途的传感器 4 1工作原理 结构特性 A 极板相对覆盖面积 极板间距离 r 相对介电常数 0 真空介电常数 电容极板间介质的介电常数 4 1 1变极距型电容传感器 变极距 型 a e 变面积型 A 型 b c d f g h 变介电常数 型 i l 4 1 1变极距型电容传感器 非线性关系 若极距缩小 电容量为 初始电容 电容的相对变化量为 若 0 1时 则上式按级数展开为 灵敏度S为 略去高次 非线性 项 可得近似的线性关系 由上讨论可知 1 变极距型电容传感器只有在 0很小 小测量范围 10 时 才有近似的线性输出 2 灵敏度与初始极距的平方成反比 故可用减少 0的办法来提高灵敏度 例如电容式压力传感器常取 0 0 1 0 2mm C0在20 100pF之间 可测小至0 01 m的位移 考虑线性项和二次项 则相对非线性误差为 又由ef的表达式可见 0的减小会导致非线性误差增大 过小还可能引起电容器击穿或短路 为此 极板间可采用高介电常数的材料 云母 塑料膜等 作介质 差动结构 动极板置于两定极板之间 初始位置时 1 2 0 两边初始电容相等 动极板向上有位移 时 则电容总的相对变化量为 略去高次项 得 此时 相对非线性误差为 4 1 2变面积型电容传感器 当动极板相对于定极板平移 l时 其电容量为 呈线性关系 上一页 返回 下一页 电容相对变化量为 灵敏度 电容式角位移传感器 当 0时 当 0时 传感器电容量C与角位移 间呈线性关系 上一页 返回 下一页 若电介质1为空气 当L 0时 传感器的初始电容 被测电介质进入极板间L深度后 电容相对变化量 电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 4 1 3变介电常数型电容式传感器 初始电容为 电容与液位的关系为 上一页 返回 下一页 电容式液位传感器 4 2应用中存在的问题及其改进措施4 2 1等效电路 若考虑电容传感器在高温 高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时 其等效电路如图所示 图中C 传感器电容 Rp 低频损耗并联电阻 含极板间漏电和介质损耗 Rs 高湿 高温 高频激励工作时的串联损耗电阻 包含导线 极板间和金属支座等损耗电阻 L 电容器及引线电感 CP 寄生电容 可见 在实际应用中 特别在高频激励时 尤需考虑L的存在 会使传感器有效电容变化 引起传感器有效灵敏度改变 修改P103公式4 22 在这种情况下 每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定 4 2 2边缘效应 以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响 实际上当极板厚度h与极距 之比相对较大时 边缘效应的影响就不能忽略 这时 对极板半径为r的变极距型电容传感器 其电容值应按下式计算 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低 而且产生非线性 为了消除边缘效应的影响 可以采用带有保护环的结构 如图所示 等位环结构 带有等位环的平板电容传感器原理1 2 电极3 等位环 上一页 返回 下一页 3 2 保护环3与定极板2同心 电气上绝缘且两者间隙越小越好 同时始终保持等电位 以保证中间工作区得到均匀的场强分布 从而克服边缘效应的影响 为减小极板厚度 往往不用整块金属板做极板 而用石英或陶瓷等非金属材料 蒸涂一薄层金属作为极板 4 2 3静电引力电容式传感器两极板间因存在静电场 而作用有静电引力或力矩 静电引力的大小与极板间的工作电压 介电常数 极间距离有关 通常这种静电引力很小 但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下 须考虑因静电引力造成的测量误差 消灭寄生电容影响 是电容式传感器实用的关键 几种常用方法 1驱动电缆法整体屏蔽法3采用组合式与集成技术 4 2 4寄生电容电容式传感器由于受结构与尺寸的限制 其电容量都很小 几皮法到几十皮法 属于小功率 高阻抗器件 因此极易受外界干扰 尤其是受大于它几倍 几十倍的 且具有随机性的电缆寄生电容的干扰 它与传感器电容相并联 严重影响传感器的输出特性 甚至会淹没有用信号而不能使用 4 2 5温度影响1 温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感 在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下 温度变化将导致极间隙较大的相对变化 从而产生很大的温度误差 2 温度对介质的影响 温度对介电常数的影响随介质不同而异 空气及云母的介电常数温度系数近似为零 而某些液体介质 如硅油 蓖麻油 煤油等 其介电常数的温度系数较大 如煤油的介电常数温度系数可达0 07 若环境温度变化 50 则将带来7 的温度误差 故采用此类介质时必须注意温度变化造成的误差 4 3测量电路 4 3 1耦合式电感电桥4 3 2双T型电桥电路4 3 3脉宽调制电路4 3 4运算放大器电路4 3 5调频电路 上一页 返回 下一页 4 3 2二极管双T型电路 上一页 返回 下一页 激励电源为方波 一个周期内 通过负载的电流为两电容器放电电流之差 若两电容不等则一周期内负载电流不为零 4 3 3差动脉冲调宽电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 上一页 返回 下一页 上一页 返回 下一页 差动脉冲调宽电路原理图 上一页 返回 下一页 uAB经低通滤波后 就可得到一直流电压U0为 式中UA UB A点和B点的矩形脉冲的直流分量 T1 T2 分别为C1和C2的充电时间 U1 触发器输出的高电位 上一页 返回 下一页 C1 C2的充电时间 式中Ur 触发器的参考电压 设R1 R2 R 则得 结论 输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 差动变极距型差动变面积型 特性 差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器并具有理论上的线性特性 上一页 返回 下一页 优点 采用直流电源 其电压稳定度高不存在稳频 波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高 上一页 返回 下一页 4 3 4运算放大器式电路 最大特点 能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 上一页 返回 下一页 运算放大器式电路原理图 由运算放大器工作原理可知 结论 从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性前提 假设放大器开环放大倍数A 输入阻抗Zi 实际仍然存在一定的非线性误差 但一般A和Zi足够大 所以这种误差很小 上一页 返回 下一页 4 3 5调频电路 上一页 返回 下一页 当被测信号为零时 C 0 振荡器有一个固有振荡频率f0 当被测信号不为零时 c 0 此时频率为 具有较高的灵敏度 可测至0 01 m级位移变化量易于用数字仪器测量 并能与计算机通讯 抗干扰能力强 上一页 返回 下一页 4 6电容式传感器的应用 上一页 返回 下一页 随着电容式传感器应用问题的完善解决 它的应用优点十分明显 1 分辨力极高 能测量低达10 7的电容值或0 01微米的绝对变化量和高达 C C 100 200 的相对变化量 因此尤其适合微信息检测 2 动极质量小 可无接触测量 自身的功耗 发热和迟滞极小 可获得高的静态精度和好的动态特性 3 结构简单 不含有机材料或磁性材料 对环境 除高湿外 的适应性较强 过载能力强 电容式差压传感器 结构简单 灵敏度高 响应速度快 约100ms 能测微小压差 0 0 75Pa 真空或微小绝对压力 测真空或微小绝对压力时需把膜片的一侧密封并抽成高真空 10 5Pa 即可为何种类型电容传感器 上一页 返回 下一页 1 5 固定极板2 壳体3 簧片4 质量块6 绝缘体A B面为可动极板精度较高 频率响应范围宽 量程大 可以测很高的加速度 电容式加速度传感器 上一页 返回 下一页 a 测振幅 b 测轴回转精度和轴心偏摆 电容式位移传感器应用 上一页 返回 下一页 电荷平衡式位移传感器 VR为不变的等幅方波信号 VM与VR反向幅值可变 其幅值与测头的位置成比例已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用 上一页 返回 下一页 一 电容式液位计 棒状电极 金属管 外面包裹聚四氟乙烯套管 当被测液体的液面上升时 引起棒状电极与导电液体之间的电容变大 聚四氟乙烯外套 电容式传感器的应用 电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送器的区别在于 它不给出模拟量 而是给出开关量 当液位到达设定值时 它输出低电平 但也可以选择输出为高电平的型号 液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定方法十分简单 用手指压住设定按钮 当液位达到设定值时 放开按钮 智能仪器就记住该设定 正常使用时 当水位高于该点后 即可发出报警信号和控制信号 设定按钮 智能化液位限位传感器的设定按钮 超限灯 正常工作指示灯 设定按钮 电源指示灯 加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上 可以作为碰撞传感器 当测得的负加速度值超过设定值时 微处理器据此判断发生了碰撞 于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部 装有传感器的轿车 气囊 汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时 经控制系统使气囊迅速充气 三 湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质 在其两侧面镀上多孔性电极 当相对湿度增大时 吸湿性介质吸收空气中的水蒸气 使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加 水