ch4+電容式傳感器及其應(yīng)用(傳感器原理及其應(yīng)用)(南大)俞阿龍

第4章電容式傳感器應(yīng)用：在位栘、壓力、厚度、物位、濕度、振動、轉(zhuǎn)速、流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。利用電容器的原理，將被測非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器件。HM1500濕度傳感器學習目標：1.掌握各類電容傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)。2.分析各種電容式傳感器測量電路的特點。3.掌握電容式傳感器的應(yīng)用。4.1電容式傳感器的工作原理及類型Adε由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器,如果不考慮邊緣效應(yīng),其電容量為式中:ε——兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù);S——兩極板間相對有效面積;d——兩極板間的距離。一、電容式傳感器的工作原理（4-1）Adε在d、S和ε三個參數(shù)中，保持其中兩個不變，改變另一個參數(shù)就可以使電容量C發(fā)生改變。三種基本類型：變極距(變間隙)(d)型變面積型(S)型變介電常數(shù)(ε)型S二、電容式傳感器類型按結(jié)構(gòu)分類平板式圓柱、圓筒式按原理分類：變間隙電容傳感器變面積電容傳感器變介電常數(shù)電容傳感器定極板動極板當傳感器的ε和S為常數(shù),初始極距為d0時,可知其初始電容量C0為1、變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器d21極距增加Δd時：其輸出特性是雙曲線函數(shù)關(guān)系，存在著非線性。CC0C—d特性曲線當Δd《d很小時，上式可按級數(shù)展開電容的相對變化量：靈敏度：若略去非線性項，保留常數(shù)項測微小量，靈敏度與初始極距平方成反比減小非線性誤差：⑴Δd/d0很小時，C與Δd近似呈線性關(guān)系⑵采用差動形式的電容傳感器采用差動形式的變氣隙式電容傳感器極距變化型差動式輸出特性(動極板向上運動):偶次項消失！差動式比單組式電容傳感器的非線性誤差減小一個數(shù)量級。單組式差動式差動式比單組式電容傳感器的靈敏度提高一倍。靈敏度分析：當d0過小,容易引起電容器擊穿或短路。為此,極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、塑料膜等）作介質(zhì),此時電容C變?yōu)槭街?εg——云母的相對介電常數(shù);ε0——空氣的介電常數(shù),ε0=1;d0——空氣隙厚度;dg——云母片的厚度。提高靈敏度：d0↓差動式云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍,其擊穿電壓不小于1000kV/mm,而空氣的僅為3kV/mm。因此有了云母片,極板間起始距離可大大減小。一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20～100pF之間,極板間距離在25～200μm的范圍,最大位移應(yīng)小于間距的1/10,故在微位移測量中應(yīng)用最廣。

變面積型電容傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖2、變面積型電容式傳感器極板線位移變面積式傳感器Lbd直線位移角位移定極板動極板Lbd當動極板相對定極板向右平移時，其相應(yīng)的電容為：電容的相對變化量為：與顯而易見呈線性關(guān)系。直線位移注意：變面積電容傳感器，可動極板的移動距離不能太大，否則邊緣效應(yīng)增加，產(chǎn)生非線性，影響測試精度。采用差動式，可獲得較大的線位移或角位移，提高靈敏度和克服邊緣效應(yīng)。C1C2平板形結(jié)構(gòu)對極板移動變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常采用的結(jié)構(gòu)。L—外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；D0

—外圓筒內(nèi)半徑D1

—內(nèi)圓柱外半徑。LD1D0定極板動極板線位移單組式的電容量C為：當兩圓筒相對移動ΔL時，電容變化量ΔC為:這類傳感器具有良好的線性,大多用來檢測位移等參數(shù)。LD1D0定極板動極板定極板動極板角位移當動極板有一角位移時θ時，與定極板的遮蓋面積就改變，從而改變了兩極板間的電容量。當θ=0時，當θ≠0時，電容的相對變化量為：與顯而易見呈線性關(guān)系?？偨Y(jié)類型線性靈敏度工作范圍變極距單組差動最小改善變面積角度、直線平板、圓筒線性一般較小較大3、變介質(zhì)常數(shù)型電容傳感器常用來檢測片狀材料的厚度、容器中液面高度，還可用來測量介質(zhì)的介電常數(shù)、溫度、濕度等。C1C2Cd1d2測厚儀介電常數(shù)測試儀測厚儀總電容為C1與C2串聯(lián)的結(jié)果C1CC2可見，傳感器電容量C與被測液位高度h

成線性關(guān)系。

電容液位計H2r12r2hε1ε0總電容為C1與C2并聯(lián)的結(jié)果☆例:某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的εr＝2.1。計算傳感器的最小電容和最大電容以及用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)解：4.2電容式傳感器的等效電路和測量電路被測物理量→電容→轉(zhuǎn)換電路→電壓或其它電量電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路就是將電容式傳感器看成一個電容并將其轉(zhuǎn)換成電壓或其它電量的電路圖中C為傳感器電容，Rp為極板間漏電和介質(zhì)損耗電阻；Rs包含導線、極板間和金屬支座等損耗電阻；Ls為電容器及引線電感；Cp為寄生電容，并聯(lián)關(guān)系。電容傳感器的等效電路s一、等效電路電路的諧振頻率：一般，Rp、Rs可忽略，等效電容、等效阻抗：每當改變激勵頻率或者更換傳輸電纜時都必須對測量系統(tǒng)重新進行標定。供電電源頻率必須低于該諧振頻率，一般為其1/3～1/2，傳感器才能正常工作電容式傳感器中電容值以及電容變化都非常小,難以直接為目前的顯示儀表所顯示！二、電容式傳感器的測量電路借助測量電路以檢出這一微小電容增量,并將其轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率。電橋電路二極管雙T型交流電橋脈沖寬度調(diào)制電路等運算放大器式電路1、電橋電路

電容式傳感器→交流電橋橋臂

若另兩個臂是緊耦合電感臂的電橋，則具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。

變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。C1C2R3R4UC1C2C3C4U電容電橋的主要特點：(1)高頻交流正弦波供電；(2)電橋輸出調(diào)幅波，要求電源電壓波動極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；(3)通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場合應(yīng)采用自動平衡電橋；(4)輸出阻抗很高(一般達幾兆歐至幾十兆歐)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路。2、二極管雙T型交流電橋

高頻電源,它提供幅值為UE的對稱方波VD1、VD2為特性完全相同的兩個二極管,R1=R2=R,C1、C2為傳感器的兩個差動電容，當傳感器沒有輸入時,C1=C2

電路工作原理:正半周1：VD1√、VD2×,C1充電;負半周1：C1上的電荷通過R1、RL放電,流過RL的電流為I1。同時VD2√、VD1×,→C2充電;正半周2：C2通過電阻R2,負載電阻RL放電,流過RL的電流為I2。根據(jù)上面所給的條件,則電流I1=I2,且方向相反,在一個周期內(nèi)流過RL的平均電流為零。若傳感器輸入不為0,則C1≠C2→I1≠I2→RL上有信號輸出,其輸出在一個周期內(nèi)的平均值為f為電源頻率電路的特點：(1)線路簡單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響；(2)電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定；(3)輸出阻抗為R，而與電容無關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點；(4)適用于具有線性特性的單組式和差動式電容式傳感器。接通電源Q=1,=0：A點高電位通過R1對C1充電,τ1=R1C1,直至F點電位高于Ur,比較器A1輸出正跳變信號。與此同時,因=0,電容器C2通過VD2迅速放電至零電平。A1正跳變信號激勵觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),使Q=0,=1,于是A點為低電位,C1通過VD1迅速放電,而B點高電位通過R2對C2充電,時間常數(shù)為τ2=R2C2,直至G點電位高于參比電位Ur。3、脈沖寬度調(diào)制電路C1、C2：電容傳感器；R1=R2,A1、A2為比較器。UrU1—觸發(fā)器輸出高電平;T1、T2—C1、C2充放電至Ur所需時間。Ur設(shè)R1=R2=R，則得輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比結(jié)合平行板電容的公式,在變極板距離的情況下可得d1、d2分別為C1、C2極板間距離由此可見,差動脈寬調(diào)制電路能適用于變極板距離以及變面積式差動式電容傳感器,并具有線性特性,且轉(zhuǎn)換效率高,經(jīng)過低通放大器就有較大的直流輸出,且調(diào)寬頻率的變化對輸出沒有影響。當差動電容C1=C2=C0,即d1=d2=d0時,uAB=0;當C1≠C2,設(shè)C1>C2,即d1=d0-Δd,d2=d0+Δd,則同樣,在變面積電容傳感器中,則有4、運算放大器式電路

運算放大器式電路原理圖-A～UoCoCxUi∑運算放大器的輸出電壓與極板間距離d呈線性關(guān)系Cx傳感器電容；C0固定電容4.3電容式傳感器主要性能及特點一、主要性能靜態(tài)靈敏度非線性二、特點1、優(yōu)點(1)溫度穩(wěn)定性好傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強度、溫度系數(shù)等機械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發(fā)熱極小)影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。(2)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強輻射及強磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實現(xiàn)某些特殊要求的測量。(3)動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量?？捎糜跍y量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。(4)可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)當被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。電容式傳感器除上述優(yōu)點之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。2、缺點(1)輸出阻抗高、負載能力差

電容式傳感器的容量一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，帶負載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計和使用帶來不便。(2)寄生電容影響大

引線電纜電容(l～2m導線可達800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。①降低了傳感器的靈敏度；②這些電容(如電纜電容)常常是隨機變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，(3)輸出特性非線性變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。上述不足直接導致電容式傳感器測量電路復雜的缺點。但隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，電容式傳感器的優(yōu)點得到發(fā)揚而缺點不斷得到克服，成為一種大有發(fā)展前途的傳感器。三、設(shè)計要點電容式傳感器所具有的高靈敏度、高精度等獨特的優(yōu)點是與其正確設(shè)計、選材以及精細的加工工藝分不開的。在設(shè)計傳感器的過程中，應(yīng)盡量使它具有低成本、高精度、高分辨力、穩(wěn)定可靠和高的頻率響應(yīng)等。

1．保證絕緣材料的絕緣性能減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差,以保證絕緣材料的絕緣性能。

溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變,從而改變傳感器的電容量,產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能