传感器与检测技术 第四章.ppt

1、4.2 电容式传感器,4.2.1 工作原理、类型及特性,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应的影响，其电容量C与极板间介质的介电常数、极板间的有效面积S以及两极板间的距d有关： 当被测参数的变化使式中d、S、r三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数时，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。,工作原理,类型和特性,根据上述原理，在应用中电容式传感器可以有三种基本类型，即变极距(或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型。 它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。,4.2.1

2、 工作原理、类型及特性,变极距型电容传感器,传感器两极板间的和S为常数，通过电容极板间距离的变化实现对相关物理量的测量。,4.2.1 工作原理、类型及特性,变面积型电容式传感器,测量中动极板移动时，两极板间的相对有效面积S发生变化，引起电容C发生变化。,4.2.1 工作原理、类型及特性,变介质型电容传感器,变介质电容传感器的结构型式较多，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度以及液位高低等，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。,返回,4.2.1 工作原理、类型及特性,4.2.2 应用注意事项及措施,电容的相对变化量为： 传感器的相对非线性误差为： 电容传感器的灵敏度为K=S/

3、d02，要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，而非线性误差随着d0的减小而增大。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，往往采用差动式结构。,电容式传感器的灵敏度及非线性,差动电容传感器具有如下特性：,4.2.2 应用注意事项及措施,等效电路,以上对各种电容传感器的特性分析，都是在纯电容的条件下进行的。若电容传感器工作在高温、高湿及高频激励条件下工作，则电容的附加损耗等影响不可忽视，这时电容传感器的等效电路如图4-28所示。,4.2.2 应用注意事项及措施,边缘效应,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4-29所示。,4

4、.2.2 应用注意事项及措施,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。,4.2.2 应用注意事项及措施,寄生电容,寄生电容与传感器电容相关联、影响传感器的灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度。必须消除和减小它。 消除和减小寄生电容可采用如下方法： 1. 采用“驱动电线”技术 2. 采用组合式与集成技术 3. 整体屏蔽法,4.2.2 应用注意事项及措施,温度影响,（1）温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极板间

5、隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。 （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变化，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、医麻油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。,返回,4.2.2 应用注意事项及措施,4.2.3 电容式传感器的测量电路,电容式传感器的优点： （1）分辨力很高，能测量低达10-7F的电容值或0.01m的绝对变化量，或高达100%200%的相对变化量（C/C），因此适合微信息的检测； （2）动极板质量很轻，自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度，并具有很好的动态特性； （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

6、性强； （4）过载能力强，可实现无接触测量。,图4-32为差动电容式压力传感器的结构图。图中所示膜片为动极板，两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，从而构成了差动电容传感器。,（1）电容式压力传感器,4.2.3 电容式传感器的测量电路,图4-33为差动式电容加速度传感器结构图。它有两个固定极板（与壳体绝缘），中间有一用弹簧片支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为两个动极板（与壳体电连接）。,（2）电容式加速度传感器,4.2.3 电容式传感器的测量电路,1. 调频电路,调频电路,调频测量电路是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发

7、生变化。调频电路中可以将振荡频率作为输出信号，也可以经过f/V转换成电压信号输出，参见图4-34所示。,1. 调频电路,L-C谐振回路的振荡频率 当被测信号为零时，C=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个初始振荡频率f0： 当被测信号不为零时，C0，则振荡器的振荡频率发生变化，此时频率为 由上式可知，根据频率的变化f可以测出电容的变化C，从而完成对物理量的测量。调频测量电路具有较高的灵敏度，可以测量0.01m级位移变化量。,2. 运算放大器式电路,运算放大器式电路,图4-35是运算放大器测量电路原理图。图中Cx是传感器的电容,Ui是交流电源电压，Uo是输出电压信号。,2. 运算放大器式

8、电路,由运算放大器的工作原理可有： 如果是变极距式的电容传感器，则Cx =S/ dx，代入上式可有： 式中，“”号表示输出电压与电源电压反相。 上式说明：运算放大器的输出电压与极板间距离dx成线性关系，从而克服了变间隙式电容传感器的非线性问题！运算放大器虽解决了单个变极距式电容传感器的非线性问题，但要求放大器具有足够大的放大倍数，而且输入阻抗很高。,双T二极管型测量电路如图4-36所示。U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个二极管，R1=R2=R；C1、C2为传感器的两个差动电容，RL为负载电阻。,3. 双T二极管型电路,3. 双T二极管型电路,双T二极管型电路的应用特点和要求: (1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地； (2)二极管D1、D2工作于高电平下，因而非线性失真小； (3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定； (4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容 影响，线路简单； (5)输出电压较高； (6)输出阻抗与电容C1和C2无关，而仅与R1、R2及RL有关； (7)输出信号的上升沿时间取决于负载电阻RL，可用于动态测 量； (8)传感器的频率响应取决于振荡器的频率。,差