第三章 电容式传感器ppt课件

.,第三章电容式传感器,3.1工作原理及特性3.2测量电路3.3实际中存在的问题及解决方法3.4应用举例,.,3.1工作原理及特性,电容式传感器是将被测参数变换成电容量的一种传感器，它的转换元件实际上就是一个具有可变参数的电容器。用两块金属平板作电极，即可构成最简单的电容器。当忽略边缘效应时，其电容量为,式中S两极板间相互覆盖的面积，m2；d两极板间的距离，m；两极板间介质的介电常数，Fm；0真空介电常数，0=88510-12，Fm；r两极板问介质的相对介电常数，r=/0,.,对于空气介质r1。由式(3-1)可见，电容量C的大小与S、d和有关，若保持这三个参数中的两个不变而改变另一个，则C就会发生变化。这实际上就是电容式传感器的基本原理。根据发生变化的参数的不同，电容式传感器相应地分为三种类型。1、变面积型2、变介质介电常数型3、变极板间距（d）型,一、变面积型变面积型电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板；另一个是可移动的，称为动极板。根据动极板相对定极板的移动情况，变面积型电容传感器又分为角位移式和直线位移式两种。,.,1.角位移式,工作原理如图所示。当被测量的变化引起动极板有一角位移时，两极板间相互覆盖的面积就改变了，从而也就改变了两极板间的电容量C。,.,当=0时，初始电容量为,当0时，电容量就变为,由式可见，电容量C与角位移呈线性关系。,2直线位移式,.,工作原理如图所示。当被测量的变化引起动极板移动距离x时，则S发生变化，C也就改变了。,可见电容量C与直线位移x也呈线性关系，灵敏度为,显然，减小两极板间的距离d，增大极板的宽度b可提高传感器的灵敏度。但d的减小受到电容器击穿电压的限制，而增大b受到传感器体积的限制。需要说明的是，位移x不能太大，否则边缘效应会使传感器的特性产生非线性变化。变面积型电容传感器还可以做成其他多种形式，常用来检测位移等参数。,.,二、变间隙型1.基本结构基本的变间隙型电容传感器有一个定极板和一个动极板，如图所示。当动极板随被测量变化而移动时，两极板的间距d就发生了变化，从而也就改变了两极板间的电容量C。设动极板在初始位置时与定极板的间距为d。，此时的初始电容量为,.,当被测量的变化引起间距减小了d时，电容量就变为,于是,当dd0时，上式可以展开为级数形式,.,显然，C/C0与d之间是非线性关系，只有当等d/d01时，忽略式中的高次项，才能近似为线性关系。,当传感器被近似看做线性时，其灵敏度为,由上式可见，增大S和减小d0均可提高传感器的灵敏度，但受到传感器体积和击穿电压的限制。此外，对于同样大小的d，d0越小则dd0越大，由此造成的非线性误差也越大。,.,2.差动结构差动结构的变间隙电容传感器采用两块定级板，在两者之间放一块动极板，如图所示。设动极板在初始位置时与两个定级板的间距均为d0，当动极板在被测量的作用下向上移动了距离d时，两个电容器的间距分别变为d0-d和d0+d，其电容分别变为,.,当dd0时，有,电容总的变化量为,.,电容的相对变化量为,忽略式中的高次项,显然差动结构的非线性误差小了一个数量级,此时传感器的灵敏度为,可见采用差动结构可使传感器的灵敏度提高一倍。由于差动结构的变间隙型电容传感器既提高了灵敏度，又减小了非线性误差，所以在实际应用中大都采用之。,.,三、变介电常数型变介电常数型电容传感器常用来检测容器中液面的高度，或片状材料的厚度等。下面分别通过这两种应用，介绍此类电容传感器的原理。,1电容式液面计图所示是一种电容式液面计的原理图。在介电常数为x的被测液体中，放入两个同心圆筒状电极，液体上面气体的介电常数为，液体浸没电极的高度就是被测量x。,.,该电容器的总电容C，等于介质为气体部分的电容C1与介质为液体部分的电容C2的并联，即C=C1+C2。,式中h电极高度；R外电极的内半径；r内电极的外半径。所以,.,均为常数,上式表明，液面计的输出电容C与液面高度x成线性关系。2电容式测厚仪图所示为一种电容式测厚仪的原理图。两电极的间距为d，待测材料厚度为x，介电常数为x，另一种介质的介电常数为。,.,该电容器的总电容C等于两种介质分别组成的两个电容C1与C2的串联，即,测出输出电容C的值，即可由上式求出待测材料的厚度x。实际上，若x已知，也可将此传感器用做介电常数x测量仪。,.,3.2测量电路,电容式传感器的输出电容值非常小(通常几皮法至几十皮法)，因此不便直接显示、记录，更难以传输。为此，需要借助测量电路来检测这一微小的电容量，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。测量电路的种类很多，大致可归纳为调幅型电路、脉宽调制型电路和调频型电路三大类，以下分别作简要介绍。,.,一、调幅型测量电路这种测量电路输出的是幅值正比于或近似正比于被测信号的电压信号，有以下两种常见的形式。(一)交流电桥电路1单臂接法,图所示为单臂接法交流电桥电路，高频电源经由变压器，将电源电压Us加到电桥的一对角上。C0+C为电容传感器的输出电容，C1、C2、C3为固定电容，U0是输出电压。,.,下面仅讨论空载(即输出端开路)时，输出电压U0与被测电容C之间的关系。在电容传感器未工作时，先将电桥调到平衡状态，即C0C2=C1C3，U0=0。当被测参数变化引起电容传感器的输出电容变化C时，电桥失去平衡，其输出电压为,注意一点，在上式的推导过程中，用到了初始平衡条件C0C2=C1C3。由上式可见输出电压U0与被测电容C之间是非线性关系。,.,2差动接法差动接法交流电桥电路，其中相邻两臂接入差动结构的电容传感器。空载时,整理可得,上式表明，差动接法的交流电桥电路的输出电压U0与被测电容C之间呈线性关系。,.,(二)运算放大器式电路1基本电路图所示为基本的运算放大器式电路。它由传感器电容Cx、固定电容C0及运算放大器A组成。其中为Us电源电压，U0为输出电压。,由运算放大器反馈原理可知，当运算放大器输入阻抗Zi且增益A时，其输入电流I=0，因此,.,即,代入,得,上式表明，输出电压U0与电容传感器两电极的间距成正比，这就从原理上解决了使用单个变间隙型电容传感器输出特性的非线性问题，这是采用本测量电路的最大特点。,.,实际的运算放大器当然不能完全满足理想运放的条件，仍具有一定的非线性误差。但只要其输入阻抗和增益足够大，这种误差是相当小的。按这种原理已制成了能测出0.1m的电容式测微仪。此外，由上式可知，输出电压U0还与Us和C0有关，因此，该电路要求电源电压必须采取稳压措施，固定电容必须稳定。,2可调零电路基本的运算放大器式电路的缺点是，其输出电压的初始值不为零。为解决这一问题，可采用图所示的可调零电路，其输出电压U0从电位器动点对地引出。,.,由图示电路可推导其输出电压为,当Cx0=C0时，则,式中Cx0-传感器的初始电容值,可见，初始状态时Cx=Cx0=C0，则U0=0，即初始的输出电压为零。,若将,代入，则有,上述两种运算放大器式电路中，固定电容C0在电容传感器Cx的检测过程中还起到了参比测量的作用。因而当C0和CX0结构参数及材料完全相同时，环境温度对测量的影响可以得到补偿。,.,二、脉宽调制型测量电路该测量电路用于测量差动结构的电容传感器的输出电容，其电路原理图如图所示。它由比较器A1、A2，双稳态触发器FF及电容充放电回路组成。UF为参考电压，R1、R2为充电电阻，一般取R1=R2，C1、C2为传感器的差动电容，FF的两个输出端A、B作为该测量电路的输出。,.,设电源接通时，双稳态触发器A端为高电位，B端为低电位，因此A点通过R1对C1充电，直至M点的点位等于参考电压UF时，比较器A1产生一脉冲，触发双稳态触发器翻转，则A点为低电位，B点为高电位。此时M点电位经二极管D1迅速放电至零，而同时B点的高电位经R2向C2充电，当N点的点位等于参考电压UF时，比较器A2产生一脉冲，使触发器又翻转一次，则A点为高电位，B点为低电位，重复上述过程。周而复使，在双稳态触发器两端各自产生一宽度受C1、C2调制的方波脉冲。,.,.,差动电容传感器在初始状态时，C1=C2，电路中各点电压波形如图(a)所示，A、B两点的平均电压相等。当被测量的变化使C1C2时，例如C1C2，则电路中各点电压波形如图(b)所示，A、B两点的平均电压不再相等，此时直流输出电压就等于A、B两点的平均电压之差，经推导可得,式中U1双稳态触发器的输出高电平。差动电容传感器在初始状态时C1=C2，输出电压U0=0；当被测量的变化使得C1C2时，双稳态触发器的输出方波脉冲宽度将相应地变化，即受到差动电容的调制，而输出电压U0也同时变化，且正比于C1与C2的差值，即具有线性输出特性。这是脉宽调制型测量电路的重要优点。此外，该电路的输出信号一般为100kHz1MHz的高频矩形波，只需经由低通滤波器就可获得直流输出。,.,三、调频型测量电路该电路的基本原理是把电容式传感器接入高频振荡器的振荡回路中，当传感器的输出电容量在被测量作用下发生变化时，振荡器频率亦相应地变化，即振荡器频率受传感器输出电容的调制，故称调频型。在实现了电容到频率的转换后，再用鉴频器把频率的变化转换为幅度的变化，经放大后输出，进行显示和记录；也可将频率信号直接转换成数字输出，用以判断被测量的大小。调频型测量电路的主要优点是抗外来干扰能力强，特性稳定，且能取得较高的直流输出信号。,.,3.3实际中存在的问题和解决方法,本章第一节中对各类电容传感器的原理分析，均是在理想条件下进行的。实际上由于温度、电场边缘效应、寄生电容等因素的存在，可能使电容传感器的特性不稳定，严重时甚至使其无法工作。特性不稳定问题曾经长期阻碍了电容传感器的应用和发展。随着电子技术、材料及工艺技术的发展，上述问题已得到了逐步地解决。下面分别进行简单的介绍。,.,一、温度对结构尺寸的影响环境温度的改变将引起电容式传感器各部分零件几何尺寸和相互间几何位置的变化，从而产生附加电容变化。尤其对于变间隙型电容传感器，其极板间距仅为几十微米至几百微米，温度引起的尺寸相对变化就可能相当大，从而造成很大的特性温度误差。,以电容式压力传感器为例，研究温度对结构尺寸的影响，及其解决方法。设初始温度时动极板与定极板的间隙为d0，绝缘材料厚度为h1，定极板厚度为h2：，三者之和为L=d0+h1+h2。,.,当温度由初始温度变化t时，由于传感器各零件的材料不同，其温度膨胀系数也各不相同，分别设为L、h1和h2，所以导致两极板的间距由d0变为,相应引起的传感器输出电容的相对误差为,要消除温度误差，即使t=0，必须,整理可得,.,由上式可见，在设计电容传感器时，应首先根据合理的初始电容量决定间隙d0，然后根据材料的线膨胀系数aL、ah1和ah2，适当地选择h1和h2。，以尽量满足温度补偿条件。此外，在制造电容传感器时，一般要选用温度膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料。例如电极的支架选用陶瓷材料要比塑料或有机玻璃好；电极材料以选用铁镍合金为好；近年来采用在陶瓷或石英上喷镀一层金属薄膜来代替电极，效果更好。减小温度误差的另一常用措施是采用差动对称结构，在测量电路中加以补偿。,.,二、电容电场的边缘效应理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板相互覆盖的空间，但实际上，在极板的边缘附近，电场分布是不均匀的，从而使电容的实际计算公式变得相当复杂。这种电场的边缘效应相当于传感器并联了一个附加电容，其结果使传感器的灵敏度下降和非线性增加。为了尽量减少边缘效应，首先应增大电容器的初始电容量，即增大极板面积和减小极板间距。,.,此外，加装等位环是一个有效方法。以圆形平板电容器为例，如图所示，在极板A的同一平面内加一个同心环面G。A和G在电气上相互绝缘，二者之间的间隙越小越好。因使用时必须始终保持A和G等电位，故称G为等位环。这样就可使A、B间的电场接近理想的均匀分布了。,加装等位环的电容器有三个端子A、B、G。应该说明的是，它虽然有效地抑制了边缘效应，但也增加了加工工艺难度。另外，为了保持A与G的等电位，一般尽量使二者同为地电位；但有时难以实现，这时就必须加入适当的电子线路。,.,三、寄生电容的影响我们知道，任何两个导体之间均可构成电容联系。电容式传感器除了极板间的电容外，极板还可能与周围物体(包括仪器中的各种元件甚至人体)之间产生电容联系，这种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定，从而导致传感器特性的不稳定，对传感器产生严重干扰。为了克服上述寄生电容的影响，必须对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线，且屏蔽线外套须同样良好接地。,.,然而，电容式传感器仍然存在两个问题。（1）屏蔽线本身电容量较大，当屏蔽线较长时，其本身电容量很大，往往大于传感器的电容量，而且分布电容与传感器电容相并联，使传感器电容相对变化量大为降低，从而导致传感器灵敏度显著下降。（2）电缆本身的电容量由于放置位置和形状不同有较大变化，会造成传感器特性的不稳定。,解决这一问题的有效方法是采用驱动电缆技术，也称双层屏蔽等电位传输技术。这一技术的基本思路是将电极引出线进行内外双层屏蔽，使内层屏蔽与引出线的电位相同，从而消除了引出线对内层屏蔽的容性漏电，而外层屏蔽仍接地而起屏蔽作用。,.,如图所示电路，CX是传感器电容，双层屏蔽电缆的内屏蔽线接1：1放大器的输出端，而输入端接芯线，信号为点对地的电位。由于1：1放大器使芯线和内屏蔽线等电位，从而可以消除连线分布电容的影响。由于对1：1放大器要求很高：输入电容为零、输入阻抗无穷大、相移为零，技术上实现很困难。该线路适用于CX较大的传感器。,.,另一种电路如图所示：-Aa为驱动电缆放大器，其输入是-A放大器的输出。-Aa放大器的输入电容为-A放大器的负载，因而无附加电容与CX并联。由于后一驱动电缆放大器无任何附加电容，因而使用于CX很小的情况。,.,3.4应用举例,电子技术的发展解决了电容传感器存在的一些技术问题，从而为其应用开辟了广阔的前景。它不但广泛地用于精确测量位移、厚度、角度、振动等机械量，还可进行力、压力、差压、流量、成分、液位等参数的测量。,.,4.4电容式传感器的应用,电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。,.,1电容式接近开关,1检测极板2充填树脂3测量转换电路4塑料外壳5灵敏度调节电位器6工作指示灯7信号电缆,.,工作过程（1）,检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路安装在接近开关壳体内，用介质损耗很小的环氧树脂填充、灌封。当没有物体靠近检测极时，检测板与大地间的电容量C非常小，它与电感L构成高品质因数（Q）的LC振荡电路，Q=1（CR）。当被检测物体为地电位的导电体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）时，检测极板对地电容C增大，LC振荡电路的Q值将下降，导致振荡器停振。,.,工作过程（2）,当不接地、绝缘被测物体接近检测极板时，由于检测极板上施加有高频电压，在它附近产生交变电场，被检测物体就会受到静电感应，而产生极化现象，正负电荷分离，使检测极板的对地等效电容量增大，使LC振荡电路的Q值降低。对能量损耗较大的介质（如各种含水有机物），它在高频交变极化过程中是需要消耗一定能量的，该能量是由LC振荡电路提供的，必然使Q值进一步降低，振荡减弱，振荡幅度减小。当被测物体靠近到一定距离时，振荡器的Q值低到无法维持振荡而停振。根据输出电压U0的大小，可大致判定被测物接近的程度。,.,2电容式油量表,1油料2电容器3伺服电机4减速器5指示表盘,.,工作原理,当油箱中注入油时，液位上升至h处，电容的变化量CX与h成正比，电容为CX=CX0+CX。此时，电桥失去平衡，电桥的输出电压U0经放大后驱动伺服电动机，由减速箱减速后带动指针顺时针偏转，同时带动RP滑动，使RP的阻值增大，当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，U0=0，伺服电动机停转，指针停留在转角X1处。可从油量刻度盘上直接读出油位的高度h。当油箱中的油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏