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文档简介
1、电容式传感器以各种类型的电容作为传感元件,将被测物理量的变化转化为电容的变化。用途:用于测量压力、位移、厚度、加速度、液位、湿度和成分含量。第六章电容式传感器,根据工作原理,分为变介电常数型、变面积型和变极距型,特点:(1)结构简单,体积小,分辨率高;(2)可以实现非接触测量;(3)良好的动态响应;(4)能在高温、辐射、强振动等恶劣条件下工作;(5)电容小,功率低,输出阻抗高,负载能力差,外部干扰不稳定。第6章,电容式传感器,6.1电容式传感器的工作原理电容式传感器由可变电容的电容和测量电路组成,测量电路由敏感元件和转换元件组成,变量之间的转换关系原理如图所示。根据物理学,当忽略电容器边缘效应
2、时,对于图中所示的具有平行板的电容器,电容是:-板之间介质的介电常数-两个平行板的面对面积-两个平行板之间的距离。在A、D和三个参数中,保持两个参数不变并改变其中一个参数可以使电容C发生变化。也就是说,如果检测到的参数(如排量、压力、液位等)发生变化。)使三个参数A、D和D中的一个发生变化,这个参数的变化可以转化为电容的变化,电容的变化可以转化为测量电路输出的电量。据此,电容式传感器可分为以下三类:(1)可变极距电容式传感器;(2)可变面积电容传感器;(3)介电可变电容传感器。有三种类型:可变极距(d)型: (a)、(e)可变面积(s)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g)、(h)可变介
3、电常数(I)型: (I),初始电容,如果极距减小,具有非线性关系,如果是这样,可以简化为:最大位移应小于间距的1/10,以改善其非线性和击穿。极板间距一般在25,200以内,最大位移应小于间距的1/10,因此该电容式传感器主要用于微位移测量。6.1.2可变面积电容传感器是通过改变极板之间覆盖的面积来改变电容变化量的传感器,通常用作角位移型和线位移型。这不同于可变极距类型:通过移动极板测量的移动导致两个极板的有效覆盖区域A改变,从而导致电容改变。(1)用于角位移测量的线性位移型电容式传感器当移动板有角位移时,两个板之间的覆盖面积发生变化,从而改变电容。当旋转角度为时,板之间的相对面积为:因此,传
4、感器的电容c与角位移成线性关系。(2)角位移式、逐时位移式、平面线位移式、圆柱线位移式、原理不同的电介质具有不同的介电常数,不同的电介质插入电容器极板之间,导致电容器的电容不同。它通常用于测量液位和材料厚度。6.1.3可变介电常数电容式传感器,测量时,电容器的介质部分为液体,部分为空气,因此电容与液位的关系如下:同轴圆柱形电容器的初始电容为:当L=0时,传感器的初始电容为6.1.3可变介电常数电容式传感器,具有多种结构,可用于测量纸和绝缘膜。两个平行电极固定,极距恒定,相对介电常数的介质插入电容器不同深度,从而改变极板覆盖面积传感器的总电容c为,()。当测量的电介质进入板之间的深度L时,相对电
5、容变化与电介质运动L成线性关系。例如,电容式液位传感器由两个直径为40毫米和8毫米的同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形的,直径为50厘米,高度为1.2米。储存液体的半径为1.2米。计算最小电容和储罐的容积为:因此传感器的灵敏度为:6.2电容式传感器的主要性能为:1。当静态灵敏度被测量并缓慢变化时,传感器电容变化与导致其变化的测量变化之比,2。非线性,1。灵敏度,从等式(6-8)可以看出,电容的相对变化为:当1时,根据泰勒级数展开上述等式,得到,输出电容的相对变化与输入位移之间存在非线性关系。当为1时,可以省略高阶项,得到其近似的线性关系:电容传感器的静态灵敏度是可见的,可见的,差分结构也可以提高
6、灵敏度,但它太小,容易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm)。在电极之间增加一层云母片(击穿电压为103kv/mm)或塑料薄膜,以提高耐压电容器的性能。1。灵敏度,平板型可变面积型、2。非线性,可变极距型。由方程(6-8)可知,电容的相对变化是:当1时,上述方程将按泰勒级数展开,矛盾是:减小初始板间距可以提高灵敏度,但非线性误差会增大;增大初始板之间的间隙可以减小非线性误差,但会降低灵敏度。为了提高灵敏度和降低非线性,克服电源电压和环境温度变化等外部条件的影响,经常使用差动电容式传感器,其原理结构如图所示。固定极板与水平底座和测量平面固定,移动极板由吊线悬挂。由于重力的作用,移动极板和
7、一个固定极板之间的极距减小,而移动极板和另一个极板之间的极距增大,形成差分输出。采用差分形式,两个电容之和作为输出。微分型的非线性大大改善,灵敏度加倍。如果容抗用作电容传感器的输出,则不需要满足与D的测量线性关系。指纹识别传感器中,最常用的电容式传感器是经过处理的指纹图像。电容式指纹识别传感器,指纹识别所需的电容式传感器包含大约数万个金属导体的阵列,该阵列覆盖有绝缘表面、导电层和微电磁波频率场(在皮肤表面和半导体之间)。当用户的手指放在上面时,它们的电容随着脊(近)和槽(远)与金属导体之间的距离而变化。6.3电容式传感器的测量电路,1。桥式电路(1)单臂电桥,Cx是一个电容传感器,让Cx的初始
8、电容为C0;当电容传感器没有测量输入时,C0=C2=C3=C4;当Cx改变时,U00有输出电压。1.桥式电路(2)双臂电桥。电容Cx1和Cx2是差动传感器的电容,与变压器的次级绕组形成双臂电桥。初始电容是C0。当有测量输入时,Cx1和Cx2有差分变化,电桥失去平衡。此时,有一个输出电压。经过放大、相敏检测和滤波后,输出的DC电压Uo与位移呈线性关系,其正负极性反映了位移的方向。采用幅度稳定和频率稳定等措施,以确保输出电压是传感器电容变化的单值函数。1.桥式电路(2)双臂电桥,用电容传感器的两个电容作为交流电桥的两个桥臂,通过电桥将电容的变化转化为电桥输出电压的变化。变压器的两个次级绕组L1和L
9、2以及差动电容传感器的两个电容C1和C2作为电桥的四个支路,电桥由高频和稳定幅值的交流电源供电。电桥的输出是一个调幅值。经过放大、相敏检测和滤波后,得到与测量变化相对应的输出。最后,它由仪器显示和记录。2.调频电路;调频电路是由电容组成的振荡器的谐振电路2.调频电路,当被测信号为零时,C=0,振荡器有一个自然振荡频率f0,即:当被测信号不为零时,电容发生变化,C0频率发生变化,调频测量电路灵敏度高,可以测量0.01米的位移变化,易于用数字仪器测量,并与计算机通讯,转换电路产生的频率信号可以远距离传输,从而抗干扰。运算放大器电路,Cx传感器电容c固定电容U0输出电压信号,最大的特点是它可以克服变
10、极距电容传感器的非线性,从运算放大器的工作原理可以看出运算放大器电路的原理图,结论:变极距电容传感器的线性度在原理上是有保证的,假设放大器开环放大倍数A=,输入阻抗Zi=,那么仍然存在一些非线性误差,但一般A和Zi都足够大。4。二极管双T型电路,E为高频电源,提供幅度为Ui的对称方波。VD1和VD2是两个具有相同特性的二极管。R1=R2=R .C1和C2是传感器的两个差分电容。二极管双T型交流电桥的电路原理图。当电源E处于正半周期时,D1接通,D2断开,电容器C1充电,C2放电。在电源e的负半周期中,D2接通,D1断开,电容器C2充电,C1放电。4。二极管双T型电路,C1和C2是传感器的两个差
11、分电容。平衡时:C1=C2,I1=I2,一个周期内负载的平均电流为零。4.二极管双T型电路,电路特点:电路简单,可放置在探头中,大大缩短了电容引线,减少了分布电容的影响;电源的周期和幅度直接影响灵敏度,并要求它们高度稳定。输出阻抗为r,与电容无关,克服了电容式传感器内阻高的缺点;它适用于具有线性特性的单组和差分电容传感器。5。差分脉宽调制电路(差分脉宽调制电路),通过对传感器电容充放电,使电路输出脉冲宽度随传感器电容的变化而变化。可以通过低通滤波器获得对应于所测量的变化的DC信号。工作原理:当传感器的电容充放电时,电容的变化会改变电路输出的脉冲宽度,通过低通滤波器得到与测量变化相对应的DC信号
12、。在图中,C1和C2是差分传感器的两个电容(初始值相等),A1和A2是两个比较器,参考电压为Uf。5、差分脉宽调制电路(differential pulse width modulation circuit),当电源接通时,将双稳态触发器的A端设为高电位,将B端设为低电位;Cl通过R1在a点充电,c点的电位上升,直到UC=uf比较器A1产生脉冲来触发触发器翻转;a点为“0”,b点为“1”。此时,点c的电位通过二极管VD1迅速放电至0;同时,b点通过R2向C2收费,d点的潜在UD上升,直到UD=UF。比较器A2产生一个脉冲,触发器再次翻转,a变为高电平,b变为低电平,然后继续。a点和b点的电势变
13、化受C1和C2的调制。5。差分脉宽调制电路(差分脉宽调制电路),波形分析:双稳态触发器A和B的两端产生一个方波,其宽度受C1和C2电容变化的影响。当C1=C2时,A和B的脉冲宽度相等。a点和b点的平均电压UAB=0;C2 C1充电时间T1=T2。(T1=R1C1),5。差分脉宽调制电路(差分脉宽调制电路),波形分析双稳态触发器A和B的两端产生一个方波,其宽度受C1和C2电容变化的影响。在C1C2(C1C2),点a的输出脉冲宽度大于点b的输出脉冲宽度;平均电压UAB0在a点和b点;C2 C1充电时间T1T2。(T1=R1C1),5。差分脉宽调制电路(差分脉宽调制电路),6.4电容式传感器的特点,
14、优点:(1)良好的温度稳定性:电容式传感器经常使用空气和其他气体作为绝缘介质(2)结构简单,适应性强:电容式传感器结构简单,易于制造;能在高低温、强辐射、强磁场等各种恶劣环境条件下工作,适应性强。(3)良好的动态响应:电容式传感器由于其可移动部件,即重量轻、固有频率高、动态响应时间短,可以做得非常小和薄,并且可以在几兆赫的频率下工作,这特别适合于动态测量。(4)可以实现非接触测量,平均效果:当被测物体不能接触测量时,电容传感器可以完成测量任务。采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度对测量的影响。(5)高阻抗、低功耗和低作用能量:电容传感器由于带电极板之间的静电引力很
15、小,所以只需要很少的输入能量,因此特别适合低能量输入测量。例如,它可以测量极低的压力、力、小的加速度和位移等。它可以非常灵敏,具有非常高的分辨率,并且可以感觉到0.001米或更小的位移。缺点:(1)输出阻抗高,承载能力差:电容传感器的容量受其电极几何尺寸的限制,这使得传感器的输出阻抗非常高。因此,传感器负载能力差,容易受到外部干扰的影响,导致不稳定。电容器的大容抗也要求传感器绝缘部分的电阻值极高(超过几十兆欧姆),否则绝缘部分将充当旁路电阻,影响传感器的性能。因此,应注意温度、湿度、洁净度等环境对绝缘材料绝缘性能的影响。(2)输出特性是非线性的:虽然可以通过微分结构来改善,但不能完全消除。只有
16、当忽略电场的边缘效应时,其他类型的电容传感器的输出特性才是线性的,否则,由边缘效应产生的附加电容将直接与传感器的电容叠加,使得输出特性是非线性的。缺点:(3)寄生电容影响大:传感器的初始电容很小,但寄生电容如引线电缆的电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体形成的电容很大,降低了传感器的灵敏度;这些电容(如电缆电容)经常随机变化,会使传感器工作不稳定,影响测量精度,甚至超过测量引起的电容变化,导致传感器无法工作。因此,对电缆的选择、安装和连接都有要求。6.5电容式传感器的应用。1.差动电容式压力传感器,当测得的压力或压差作用在隔膜上并使其位移时,两个电容器的电容会增加或减少。电容值的
17、变化被测量电路转换成对应于压力或压差的电流或电压的变化。主要结构是由一个隔膜移动电极和两个电镀在凹面玻璃上的固定电极组成的差动电容器。2.差动电容式加速度传感器主要由两个固定极板(与外壳绝缘)和一个质量块组成;中间质量块由弹簧板支撑,其两个端面被研磨和抛光成可移动的极板。当在垂直方向上测量线性加速度时,传感器的外壳固定在待测量的振动体上,两个固定电极将相对于质量在垂直方向上移动,并且两个固定极板和质量将产生具有相同大小和相反符号的增量,并且两个增量之间的差值与测量的加速度成比例。加速度传感器在汽车上的应用。差动电容厚度传感器,在被测带材的上下两侧安装两块面积相等、距离带材距离相等的极板,使两块极板与带材之间形成两个独立的电容。如果带的厚度发生变化,就会引起电容的变化,然后通过交流电桥检测电容的变化。放大后,变化、3、差动电容厚度传感器、两个极板通过导线连接成一个电极,条形电极为电容的另一个电极,其总电容为:被测电容C1和C2作为每个转换器振荡
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