传感器_03电容式传感器

1、传感器原理及应用2013年4月25日Principles and Applications of Transducer机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 主主 讲：黄海鸿讲：黄海鸿 电电 邮：邮： 地地 址：机械楼址：机械楼417室室1课前思考设计一种带有传感器的机械运动机构？例如：激光雷达三维扫描转台人工路标一帧测量数据二维激光雷达2课前思考设计一种带有传感器的机械运动机构？例如：激光雷达三维扫描转台现有转动机构(www.3d-)3课前思考设计一种带有传感器的机械运动机构？例如：激光雷达三维扫描转台Pioneer Robot4课前思考激光雷达三维扫描转台（改进方案）激光雷达俯仰角范围：30

2、+305课前思考激光雷达的二维环境地图建立栅格地图（Grid Map）Google Earth地图（参照）6课前思考激光雷达三维扫描的用途7第三章 电容式传感器n第一节 电容式传感器基础知识n第二节 电容式传感器的应用原理：以电容器为敏感元件，将被测非电量（例如：机械位移量）的变化转换为电容量变化用途：结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作83.1 电容式传感器基础知识n电容n电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量。n我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。一个电容器，如果带1库仑的电量时两级间的电势差是1伏，则电容器的电容就是

3、1法。n电容的单位是法拉 1法拉(F)= 1000毫法(mF)1000000微法(F) 1微法(F)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)93.1 电容式传感器基础知识n工作原理n平板电容器是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成。n电容C用于描述电荷Q与电容器（电导体）之间电压差V的关系：C = Q / Vn当忽略边缘效应时，电容C与真空介电常数0、极板间介质的相对介电常数r、极板有效（正对）面积S以及两极板间的距离d有关：dSdSCr0)(0r为介质介电常数dV00 8.85 p pF/m103.1 电容式传感器基础知识n若被测量的变化使式中、S、d这三个参量中任意一个值发生变

4、化，都会引起电容量C的变化，再通过测量电路转换为电量输出。n电容式传感器的三种类型n变面积（S）型n变介质介电常数（）型，简称变介质型n变极板间距（d）型，为非线性关系SCd113.1.1 变面积型电容式传感器n直线位移式n角位移式n圆柱体线位移式n齿型极板型12123.1.1 变面积型电容式传感器133.1.1 变面积型电容式传感器n直线位移式n当动极板移动x后，覆盖面积发生变化，电容量C随之改变，电容因位移而产生的变化量为:灵敏度为：如何提高该传感器的灵敏度？axCxdbCCC000CCbKxad 介质介电常数143.1.1 变面积型电容式传感器n角位移式n当动片有一角位移时，两极板间覆盖

5、面积发生变化，从而导致电容量C的变化，此时电容值为:)1 ()1 (0CdAC动片静片式中，C0为初始（即无角位移时）电容电容C与角位移之间为线性关系！153.1.1 变面积型电容式传感器n圆柱体线位移式n由两个同心圆柱形电极组成n齿型极板型n极板采用锯齿板，其目的是为了增加覆盖面积，提高灵敏度163.1.2 变介质型电容式传感器n用途n测量电介质的厚度、液位，例如：测量片状材料（纸张、绝缘薄膜等）的厚度，检测容器中液面高度n根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等，可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度17表表 电介质材料的相对介电常数电介质材

6、料的相对介电常数 提问：纸湿了以后，电容如何变化？提问：纸湿了以后，电容如何变化？183.1.2 变介质型电容式传感器n根据电介质插入电容器中的深度不同，相应改变两种介质的极板覆盖面积将传感器主动插入某种电介质中C1CC212CCC193.1.2 变介质型电容式传感器n圆筒式液位传感器C1CC20012212122 ()ln(/ )ln(/ )xxhhCCCAKhrrrr 可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系！ )/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrKh2r12r2hx0同心圆柱状电极式中，20例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌

7、也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。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(2ln2120minpFpFrrHCr07.872 . 146.41ln2120maxLmmHdV6 .2352 . 14)5 . 0(422LpFLpFpFVCCK/19. 06 .23546.4107.87minmax213.1.2 变介质型电容式传感器n固体厚度不变、介质常数发生变化，会引起电容C变化，可测固体材料的温度、湿度等n如果待测体介电常数已知，可作为测厚仪平板型变介质型电容

8、传感器C1C2C3C/ )(0 xxabCx式中，a, b为平行板的长度、宽度。1231111CCCC223.1.3 变极板间距型电容式传感器n当可动极板 (简称动片)随被测量变化而与固定极板发生相对移动时，两极板间距d0变化，使电容量C产生变化。电容量的变化量C与极板间距变化量（动极板的位移量）d的关系：000/1/ddddCC改善线性度的措施：采用差动式电容式传感器！?d0多大合适？多大合适？K? 误差？误差？233.1.3 差动式电容式传感器n动极板置于两定极板之间，输出为两电容量之差（两电容初始值相等） 503000212ddddddCCCC解决效果： 1 灵敏度提高一倍，约为:2/d

9、0； 2 线性度提高，相对非线性误差（电容相对变化量中，非线性项与线性项分量的比值）减小， = (d/d0)2*100%; 3 可以补偿温度误差。243.1.3 差动式电容式传感器n动极板置于两定极板之间，输出为两电容量之差（两电容初始值相等） 503000212ddddddCCCC构思一种差动结构？25图图3-11 基于有效极板面积变化的差动电容器基于有效极板面积变化的差动电容器 差动的其它形式（面积型）差动的其它形式（面积型）3.1.3 差动式电容式传感器263.2 电容式传感器的应用n电容式传感器的优点n温度稳定性好n电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小

10、，影响稳定性甚微。n结构简单n非常小巧，易于制造，易于保证高的精度。n能工作在高温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中。能承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。273.2 电容式传感器的应用n电容式传感器的优点n动态响应好n由于可动极板可以做得很小很薄，质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。系统工作频率高，它可用于测量高速变化的参数。n可以非接触测量n例如：非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，具有误差平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。28

11、3.2 电容式传感器的应用n电容式传感器的缺点n输出阻抗高，负载能力差n电容量受其电极的几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象。n寄生电容影响大n初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（12m导线可达800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。29电容传感器电容值一般十分微小电容传感器电容值一般十分微小( (几皮法至几十皮法几皮法至几十皮法) )，而

12、，而电容变化量在电容变化量在1 1PFPF以下，这样微小的电容不便直接显示、以下，这样微小的电容不便直接显示、记录，更不便于传输。为此，必须借助于测量电路检测出记录，更不便于传输。为此，必须借助于测量电路检测出这一微小的电容变量，并转换为与其成正比的电压、电流这一微小的电容变量，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。或频率信号。目前常用的典型线路：目前常用的典型线路： 交流电桥交流电桥 差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路 运算放大器测量电路运算放大器测量电路了解：测量电路30传感器的等效电路传感器的等效电路L L 包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；包括引线电缆电感和电容式传感

13、器本身的电感；R RC C 由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C C 为传感器本身的电容；为传感器本身的电容；R RP P 是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间是极间等效漏电阻，它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，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。* * * 供电电源频率必须低于谐振频率；一般为谐振频率的供电电源频率必须低于谐振频率；一般为谐振频率的1/3-1/21/3-1/2，才能正常工，才能正常工作；作；* * * 测

14、量时应与标定时所处的条件相同，电缆长度不能改变，供电电源频率不能测量时应与标定时所处的条件相同，电缆长度不能改变，供电电源频率不能改变。改变。此电路的此电路的谐振频谐振频率？率？了解：测量电路31交流不平衡电桥原理图交流不平衡电桥原理图1 1、交流电桥、交流电桥了解：测量电路32普通交流电桥测量电路普通交流电桥测量电路 这种交流电桥测量电路要求这种交流电桥测量电路要求提供幅度和频率很稳定的交流电源提供幅度和频率很稳定的交流电源，并并要求电桥放大器的输入阻抗要求电桥放大器的输入阻抗ZiZi很高很高。为了改善电路的动态响应特性，。为了改善电路的动态响应特性，一般一般要求交流电源的频率为被测信号最高

15、频率的要求交流电源的频率为被测信号最高频率的510510倍。倍。了解：测量电路33图图3-15 电容传感器常用交流电桥形式电容传感器常用交流电桥形式* * 图图c c的灵敏的灵敏度是图度是图a/ba/b的一倍；图的一倍；图d d的差动接的差动接法使其灵敏法使其灵敏度是图度是图c c的的一倍！一倍！了解：测量电路342、差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路比较器比较器参考电压参考电压了解：测量电路35各点电压波形图各点电压波形图了解：测量电路363、运算放大器测量电路运算放大器测量电路图图3-19 运算放大器测量电路运算放大器测量电路由于运算放大器的放

16、大倍数非常大，而且输入阻抗Zi 很高, 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。ixoUCCU0如果传感器是一只平板电容：dSCUUio0解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题!了解：测量电路37 减小环境温度、湿度对测量的影响减小环境温度、湿度对测量的影响 温度误差主要是由于温度误差主要是由于构成传感器的材料不同，有不同的温度膨胀系数。当环境温度构成传感器的材料不同，有不同的温度膨胀系数。当环境温度变化时，传感器各零件形状、尺寸发生变化，从而引起电容量变化时，传感器各零件形状、尺寸发生变化，从而引起电容量变化。变化。 消减边缘效应消减边缘效应 消减寄生电容的影响

17、消减寄生电容的影响 了解：电容传感器的设计要点38消减边缘效应消减边缘效应边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起传感器的灵边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起传感器的灵敏度下降和非线性增加。敏度下降和非线性增加。- - 增加初始电容量增加初始电容量 / / 加装等位环。加装等位环。图图3-203-20示出了如何在不改变几何关系的情况下减小边缘效应。该方示出了如何在不改变几何关系的情况下减小边缘效应。该方法利用与某个恒定电压相连的法利用与某个恒定电压相连的保护环保护环，使电力线仍然被限制在由检，使电力线仍然被限制在由检测电极所决定的体积内。由有限间隙宽度测电极所决定的体积内

18、。由有限间隙宽度w w引起的电容修正取决于引起的电容修正取决于 w/dw/d（d d是电极距离）和电极厚度。是电极距离）和电极厚度。 图图3-20 加等位环消除边缘效应加等位环消除边缘效应理想情况：平板电容的电场均匀分布于两极板所围成的空间。理想情况：平板电容的电场均匀分布于两极板所围成的空间。39消减寄生电容的影响消减寄生电容的影响 增加初始电容值增加初始电容值 采取采取“驱动电缆技术驱动电缆技术”，又叫，又叫“双层屏蔽等电位传输双层屏蔽等电位传输”。传感器除有极板间电容外，极板与周围物体（各种元件甚至人体）也产生电容联系，这种电容称为寄生电容。40“驱动电缆技术驱动电缆技术”基本原理：使用

19、基本原理：使用电缆屏蔽层电位电缆屏蔽层电位跟踪与电缆相连接的跟踪与电缆相连接的传感器电容传感器电容极板电位极板电位。要求二电位的。要求二电位的幅值和相位均相同幅值和相位均相同，从而消除电缆分布，从而消除电缆分布电容的影响。电容的影响。图图3-21 驱动电缆线路原理图驱动电缆线路原理图413.2 电容式传感器的应用n变面积型角位移传感器n采用差动式结构，转轴旋转使动片转动，从而改变活动电极与两个固定电极（定片）之间的覆盖面积，使电容发生变化。423.2 电容式传感器的应用n变面积型位移传感器n采用差动式结构、圆柱形电极，与测杆相连的动电极随被测位移而轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的

20、覆盖面积，使电容发生变化。为接触式测量。1-测杆；2-开槽簧片；3-固定电极；4-活动电极。433.2 电容式传感器的应用4445n电容式液位限位传感器液位限位传感器与液位计的区别在于：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。4646液位限位传感器的设定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。设定按钮设定按钮473.2 电容式传感器的应用n位移传感器测量振动测量回转精度483.2 电容式传感器

21、的应用n位移传感器Capacitive Displacement Measurement德国米依公司的非接触式电容式位移传感器 capaNCDT 610493.2 电容式传感器的应用应用领域：应用领域：capacapaNCDTNCDT610610是为机器设备监控，是为机器设备监控，工业过程质量监控而设计的。主要参工业过程质量监控而设计的。主要参数数: :1 1，震动，偏心，裂纹，振荡，同心度，震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2 2，位移，移动，位置，膨胀，位移，移动，位置，膨胀3 3，挠度，变形，波动，倾斜，挠度，变形，波动，倾斜4 4，尺寸，公差，分选，零件识别，尺寸，公差，分选，零件识别5

22、5，冲击，应变，轴向振动，冲击，应变，轴向振动6 6，轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心，轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心 503.2 电容式传感器的应用n接近开关两自由度运动平台1被测物被测物 2上检测极板上检测极板 3下检测极板下检测极板 4充填树脂充填树脂 5测量转换电路板测量转换电路板 6塑料外壳塑料外壳 7灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器8工作指示灯工作指示灯 9三线电缆三线电缆513.2 电容式传感器的应用n测转速传感器n齿轮转动时，传感器产生周期信号，经测量电路转换成脉冲信号，用频率计显示齿轮转速。1 齿轮；2 定极板；3 传感器电路；4 频率计。电容输出值523.2 电容式传感器的应

23、用n电容式力传感器n大吨位电子吊秤用电容式称重传感器。扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的定极板和动极板。称重时，弹性元件受力变形，使动极板位移，导致传感器电容量变化。1-动极板；2-定极板；3-绝缘材料；4-弹性体；5-极板支架。533.2 电容式传感器的应用n电容式压力传感器n差动电容式压差传感器：加有预张力的不锈钢膜片作为感压敏感元件，同时作为可变电容的活动极板。电容的两个固定极板是在玻璃基片上镀有金属层的球面极片。在压差作用下，膜片凹向压力小的一面，导致电容量发生变化，且与差压P = P1 P2成正比。543.2 电容式传感器的应用n加速度传感器1、5 固定极板；2 壳体；

24、3 簧片； 4 质量块；6 绝缘体。测量精度高，频率响应范围宽，量程大，可以测量很高的加速度。测量精度高，频率响应范围宽，量程大，可以测量很高的加速度。电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大，大多采用空气或其它气体作阻尼物质。或其它气体作阻尼物质。 55图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。5656微加工三轴加速度传感器微加工三轴加速度传感

25、器技术指标：技术指标： 灵敏度：灵敏度：500mV/g， 量程：量程：10g 频率范围：频率范围：0.5-2000Hz 安装谐振点安装谐振点: 8kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：200g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 线性误差：线性误差：1% 57硅微加工加速度传感器原理硅微加工加速度传感器原理 1加速度测试单元加速度测试单元 2信号处理电路信号处理电路3衬底衬底 4底层多晶硅（下电极）底层多晶硅（下电极） 5多晶硅悬臂梁多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）顶层多晶硅（上电极）频率响应可达频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达以上，允许加速度范围可达10g 以上。

26、以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。速度。58n汽车安全带和安全气囊系统n安全带可以消除身体前倾后与座椅产生的间隙，织带根据预紧力自动将乘员拉至较安全的预防碰撞位置n在碰撞或车身翻滚过程中，安全带将乘员约束在安全位置59装有传感器的假人装有传感器的假人气囊气囊60利用加速度传感器实现延时利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置61优点：优点： 测量范围大：测量范围大：相对变化量可大于相对变化量可大于100%100%（相比应变片（相比应变片) ) 灵敏度高灵敏度高 动态响应时间短：动态响应时间短：固有频率高，适用动态信号测量固有频率高，适用动态信号测量 机械损失小：机械损失小：极板间无摩擦，热效应小极板间无摩擦，热效应小 结构简单结构简单 适应性强：适应性强：适合恶劣环境与条件适合恶劣环境与条件缺点：缺点： 寄生电容影响较大寄生电容影响较大 用于变间