中南大学传感与检测ppt ch5-电容传感器

1、 第第5章章 电容式传感器电容式传感器5. 电容式传感器电容式传感器概述概述原理原理：利用电容器将非电量转换成电容量变化。其传感作用的实质是一个可变参数电容器。电容式传感器的特点电容式传感器的特点：受本身发热影响小静态引力小动态响应好结构简单，适应性强可进行非接触式测量主要不足：输出阻抗较高、带负载能力差；寄生电容影响大应用应用：测量压力、位移、角度、加速度、物位、湿度和成分介质特性等。5.1 工作原理与结构类型工作原理与结构类型1）基本工作原理）基本工作原理(以平板电容器为例以平板电容器为例) 忽略边缘效应时，金属平板作电极构成的电容器的电容为式中：S极板相对覆盖面积；极板间距离； r相对介

2、电常数；0 真空介电常数， 0 8.85pF/m；极板间介质的介电常数。上式中，、S和r中的某一项或几项变化可改变C。或S的变化可反映线位移或角位移的变化，也可间接反映压力、加速度等的变化；r变化可反映液面高度、材料厚度等变化。 SSSCr05. 电容式传感器电容式传感器5.1 工作原理与结构类型工作原理与结构类型2）电容传感器的三种基本）电容传感器的三种基本结结构构类型类型变极距(间隙)型；变面积型(S)型；变介电常数(r)型下图给出了常见结构形式5. 电容式传感器电容式传感器说明说明：图：图(b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)、(h)为变面积型位移传感为变面积型位移传感器结构，图

3、器结构，图(a)和和(e)为变极距型位移传感器结构，图为变极距型位移传感器结构，图(i)(l)为变介电常数型结构为变介电常数型结构。5.2 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 极板1固定不动，极板2为可动极，当动极板随被测量变化而移动时，两极板间距变化，使电容量的变化为变极距型电容传感器特点特点：电容的变化量与极距的变化量呈近似线性关系，所以变极距型传感器设计成极距在极小范围内变化。 针对原理上的非线性，常用差动结构来改善，并可减小外界因素影响(电压波动、环境温度)。21CC0C-特性曲线式中，C0是极距为时的初始电容量，极距相对变化/1. )1 (/1/00 CCSSSC5. 电容式传感器

4、电容式传感器5.3 变极距型传感器的性能与改善措施变极距型传感器的性能与改善措施- -差动结构差动结构1）主要性能）主要性能(1)静态灵敏度静态灵敏度 变极距型的静态灵敏度Kg为： 可知：灵敏度是初始极距的函数，同时随被测量变化。 减小可提高灵敏度，但过小易致电容器击穿(空气的击穿电压为3kV/mm)。一种对策：在极间加一层云母片(其击穿电压大于103kV/mm）或塑料膜来改善电容器耐压性能。 /110CCKg 43201CKg5. 电容式传感器电容式传感器C与被测量为非线性关系，仅当/1时，略去各非线性项后才得到近似线性关系CC0(/)。 的取值不能大，否则降低灵敏度。因此变极距型只宜工作在

5、一个较小的范围内(1cm至零点几mm)，且最大应小于极板间距的1/51/10。 /1100CCC1）主要性能）主要性能(2)(2)非线性非线性当变极距型传感器的极距变化时，其电容及其相对变化为: 3201CC5.3 变极距型传感器的性能与改善措施变极距型传感器的性能与改善措施- -差动结构差动结构5. 电容式传感器电容式传感器与前述单一电容传感器的电容相对变化对比可知，差动结构使传感器的非线性得到改善的同时，灵敏度也提高了一倍。2）差动结构型变极距传感器）差动结构型变极距传感器采用图示差动结构形式，取上下两电容之差为输出。 4202112CCCC5.3 变极距型传感器的性能与改善措施变极距型传

6、感器的性能与改善措施- -差动结构差动结构/11;/110201 CCCC 42012CC 42012CCKg5. 电容式传感器电容式传感器 当极板间距和介电常数为常数，而平板电容器的面积为变量的传感器称为变面积式电容传感器。变极板面积型电容传感器有线位移和角位移两种。线位移型电容式传感器又分为平面线位移和圆柱线位移两种。(1) 平面线位移型传感器：如图a所示，其电容量为：5.4 变面积型传感器变面积型传感器ldxC 灵敏度为：constldxCK 5. 电容式传感器电容式传感器)/ln()(20dDxlCconstdDxCS )/ln(2lrC2 5.4 变面积型传感器变面积型传感器(2)

7、圆柱型线位移传感器：如上图b所示，电容量为：灵敏度为：(3)角位移型传感器：如图c所示，其电容量为：灵敏度为：constlrCS 2变面积型电容传感器的输出与输入呈线性关系，但灵敏度比变极矩型低，适用于测量较大的线、角位移。变面积型电容器常用差动形式，使传感器的输出和灵敏度均可提高一倍。5. 电容式传感器电容式传感器 该类型大多用来测电介质的厚度厚度、液位液位及利用极间介质的介电常数随温度、湿度改变测介质材料的温度温度、湿度湿度等。n 若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如图，传感器的电容量与被厚度的关系为 x厚度传感器C1C2C3C/ )(0 xxabC5. 电容式传感器电容式传感器5.5

8、 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器式中，为极板间距，0是空气的介电常数，是介质的介电常数，ab是极板的面积。介质的厚度不同或变化，通过传感器的电容量变化来反映。n若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为： C1C2C3CC400/)(/ )(xxxxlabblC a、b、lx:定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ； :两固定极板间的距离； x、 0:被测物厚度及其介电常数、空气的介电常数。 l平板形lx5. 电容式传感器电容式传感器5.5 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器n若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容

9、量与被液位的关系为 液位传感器CC1C2xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120可见，传感器电容C与被测液位高度hx成线性关系。 忽略边缘效应时，变面积型和变介电常数型（测厚除外）电容式传感器有很好的线性，但实际上边缘效应引起极板间电电场分布场分布不均匀，导致非线性仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。 h2r12r2hx5. 电容式传感器电容式传感器5.5 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrK式中：，例例：某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，

10、高为1.2m。被储存液体的r2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度(pF/L)。解：pFmmpFrrHC46.415ln2 . 1)/85. 8(2ln2120minpF12pFrrHCr07.87.46.41ln2120max LmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax5. 电容式传感器电容式传感器5.5 变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器5.6 传感电容的等效电路与抗干扰问题传感电容的等效电路与抗干扰问题1）等效电路）等效电路L-引线电缆电感+电容式传感器

11、本身电感：r-引线电阻+极板电阻+金属支架电阻；C0-传感器的电容；Cp-引线电缆、所接电路及极板与外界所形成的总寄生电容；Rg-极间等效漏电阻，包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗、介质损耗。C0CpRgLrCeReLreCe 低频； 高频供电电源频率为谐振频率的1/31/25. 电容式传感器电容式传感器5.6 传感电容的等效电路与抗干扰问题传感电容的等效电路与抗干扰问题2 2）抗干扰问题）抗干扰问题(1) 高阻抗、小功率高阻抗、小功率 电容器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，因电容量很小而使输出阻抗很高。又因为电容器的视在功率P=Uo2C，C很小导致P也

12、很小，使其负载能力差，易受外界干扰影响。 电容小，容抗大，要求传感器绝缘部分的阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻影响传感器性能(如降低灵敏度)。可视为旁路电阻的绝缘电阻称为漏电阻。为此，要从选材、结构、加工工艺等方面减小环境温湿度的影响，保证绝缘材料的高绝缘性。5. 电容式传感器电容式传感器5.6 传感电容的等效电路与抗干扰问题传感电容的等效电路与抗干扰问题2）抗干扰问题）抗干扰问题(2) 边缘效应边缘效应 理想条件下平板电容器的电场均匀分布于两极板相互覆盖的空间，但实际在极板边缘附近的电场分布不均，尤其在极板边长与极板间距比值较小时，边缘电场的影响不能忽略。边缘效应使传感器的灵敏度下降、非

13、线性增加。n减小影响的有效措施：减小极板厚度、加装等电位环。带有等位环的平板电容传感器结构原理图均匀电场1233边缘电场5. 电容式传感器电容式传感器5.6 传感电容的等效电路与抗干扰问题传感电容的等效电路与抗干扰问题2）抗干扰问题）抗干扰问题(3) 寄生电容影响寄生电容影响 传感电容容量很小，引线电缆电容(l2m线达800pF)、测量电路的杂散电容以及极板与其周围导体构成的电容等“寄寄生电容生电容”却较大。寄生电容与传感电容并联，使得传感器易受其干扰，灵敏度降低，并且因寄生电容随机变化而工作不稳定，甚至因干扰超过信号而使传感器无法工作。 消除和减小寄生电容影响的主要措施： 增加传感器原始电容

14、值；注意传感器的接地和屏蔽；集成化；采用“驱动电缆”技术。 传感电容与测量电路集成能完全消寄生电容，但电子元件本身的原因，使集成化方式不适于高、低温或恶劣环境。 5. 电容式传感器电容式传感器5.6 传感电容的等效电路与抗干扰问题传感电容的等效电路与抗干扰问题2）抗干扰问题）抗干扰问题(3) 寄生电容影响寄生电容影响“驱动电缆驱动电缆”( (双层屏蔽等位传输双层屏蔽等位传输) )技术技术* * 不能用集成化或者因某些原因(如环境温度高)测量电路与传感电容分开时，可用“驱动电缆”技术。 传感电容与测量电路前置级采用双屏蔽层电缆双屏蔽层电缆连接连接，其内屏蔽层与信号传输线(电缆芯线)经1:1放大实

15、现等电位(屏蔽线的电位跟随传感器输出信号)，消除芯线与内屏蔽层间的电容。 材料、工艺和集成电路技术的发展，使电容传感器的优点得到发扬而缺点不断被克服，目前已成为一种高灵敏度、高精度的传感器。 “驱动电缆”技术原理图1：1测量电路前置级外屏蔽层内屏蔽层芯线传感器5. 电容式传感器电容式传感器5.7 测量电路测量电路1）交流电桥）交流电桥 传感电容接在电桥一个臂(另一个为固定电容)或两相邻臂上，另两臂为电阻电阻或电容电容或电感，电感，或是变压器的两个二次变压器的两个二次线圈线圈。当另两臂是紧耦合电感臂紧耦合电感臂电桥时有较高灵敏度和稳定性、寄生电容影响极小，可大大简化电桥的屏蔽和接地，适于高频电源

16、下工作。变压器电桥变压器电桥元件最少，桥路内阻最小。电路特点电路特点：高频交流正弦波供电；输出调幅波，要求电源电压波动小，需稳幅稳频等措施；常处不平衡状态，传感器须工作在平衡点附近，否则电桥非线性增大，在高精度场合需用自动平衡桥；输出阻抗高、输出电压低，须后接高输入阻抗、高增益处理电路。5. 电容式传感器电容式传感器5.7 测量电路测量电路2）调频电路）调频电路 n 这种电路把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容传感器的电容调制故称为调频电路。5.7 测量电路测量电路3 3）二极管双）二极管双T T形电路形电路*

17、 * 电路如图所示，e是高频电源，提供幅值为U的对称方波，D1、D2为特性完全相同的两只二极管，固定电阻R1=R2=R，C1、C2为传感器的两个差动电容。图 二极管双T型交流电桥5. 电容式传感器电容式传感器 时，RL上的电压为： 2120)(2CCTERRRRRRULLL 负半周时，由图d有：)()(R2RRCtRRexp1RREIL1LLL 同理，正半周时，由图c得：)()(R2RRCtRRexp1RREIL2LLL 一个周期T内负载上的平均电流为：)()()(21k2k1212LLT0LLLeCeCCCTERR2RRRdt)I-(IT1I L212LLc2LL1t0111c1IiiRiR

18、IEuRIRidtiCEu解上方程组得：12RR2RCTR(RkLiLi )()5.7 测量电路测量电路3）二极管双二极管双T形电路形电路*5. 电容式传感器电容式传感器5.7 测量电路测量电路3）二极管双）二极管双T形电路形电路特点特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，与电容无关，克服了高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。 5. 电容式传感器电容式传感器5.7 测量电路测量电路4）差动脉冲调宽电路）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宽随传感电容变化

19、而变化。经低通滤波得到被测量变化的直流信号。图中C1、C2为差动传感器的两个敏感电容，若用单组式，则其中一个固定不变，其电容值与传感电容初值相等；A1,A2是两个比较器，Ur为其参考电压。R2双稳态触发器VD1VD2A1A2ABR1C1C2uABFQQUr差动脉冲调宽电路G5. 电容式传感器电容式传感器tuAuAuBuBuABuABUFUFUGUGUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)U05. 电容式传感器电容式传感器差动脉冲调宽电路各点电压波形图UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为: 1212112121211

20、0UTTTTUTTTUTTTUUUBAUA、UBA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。Ur触发器的参考电压。C1、C2的充电时间T1、T2为 rUUUCRT11111lnrUUUCRT11222ln设R1R2R，则 rUCCCCU21210因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。5. 电容式传感器电容式传感器5.7 测量电路测量电路4）差动脉冲调宽电路）差动脉冲调宽电路，5.7 测量电路测量电路4）差动脉冲调宽电路）差动脉冲调宽电路 设平板电容C1和C2的极距和面积分别为1、2和S1、S2，对差动式变极距型差动式变极距型和变面积型

21、变面积型电容式传感器分别可得：电路特点：电路特点：采用直流电源，其电压稳定度高不存在对稳频度的要求对变间隙、变面积型的电容传感器都能线性输出不需相敏检波与解调对元件无线性要求对输出矩形波纯度要求不高。EEUSSSSUUU1221021120 ；5. 电容式传感器电容式传感器5.7 测量电路测量电路2）二极管双）二极管双T形电路形电路4 4）运算放大器式电路）运算放大器式电路* * 其最大特点是能克服变极距型电容式传感器的非线性。其原理如图,输出为：将Cx = S/ 代入上式得 -AuoCCxu运算放大器式 电路原理图负号表输出与电源电压反相。 上式中输出电压与极距成线性关系，从原理上保证了变极

22、距型电容传感器的线性，但其假设条件为：放大器开环增益A=，输入阻抗Zi=，因此实际存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，这种误差很小。 uCCuCjCjuxx1)(10SuCu05. 电容式传感器电容式传感器5.8 电容传感器的电容传感器的应用应用1 1）性能优势）性能优势(1) 结构简单，适应性强结构简单，适应性强 结构简单，易制造，便于微型化和集成化。其适应恶劣环境的能力强，可承受较大温度变化，能在高压、高冲击、过载等情况下正常工作，能测带磁性的带磁性的工件。 (2) 动态响应好动态响应好 极板间的静电引力很小(10-5N数量级)，所需作用能量极小，特别适宜测低能量输入，如极低压力、

23、力和很小的加速度、微位移等，灵敏度、分辨力高；其可动部分的质量可很小，因而固有频率高，动态响应快，可测高速变化参测高速变化参数数，如瞬时压力等。(3) 可实现非接触测量、具有平均效应可实现非接触测量、具有平均效应 可用于被测件不许接触的情况。传感器具有的平均效应可减小工件和传感器制造的局部缺陷等对测量的影响。5. 电容式传感器电容式传感器5.8 电容传感器的特点与应用电容传感器的特点与应用2）应用）应用 可直接用于直接用于检测位移、物质的化学组成、电场等参数； 可间接用于间接用于其它可转换为位移或介电常数的量如压力、加速度、流体液位、流体成分等。 典型应用举例典型应用举例：接近觉检测接近觉检测

24、：人体接近探测、灯光开关、车辆探测；非电量测量非电量测量：流量（转换为压力、位移）、压力、液位、物质水份、空间距离、电容层析成像（多电极分布式测量，推导出检测范围的电介质分布，用于两相流）、厚度、线位移、角位移、惯性（通过加入弹性环节）。5. 电容式传感器电容式传感器5.8 电容式传感器的应用电容式传感器的应用(1) 电容测厚仪电容测厚仪n当被轧板材的厚度相对于要求值发生变化时，Cx发生变化。 Cx增大表示板材变厚； Cx减小表示板材变薄。Cx的变化经电桥调节后，由耦合电容输出给运放进行放大，经整流滤波和差动放大后，一方面由显示仪表读出板材厚度，一方面通过反馈回路将偏差信号送压力调节器，控制板厚在规定范围内。5. 电容式传感器电容式传感器图 ？(教材图3-19)电容测厚仪