传感器与检测技术--33电容式传感器.pptx

3.3.1 电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型2.变极距型电容传感器3.变面积型电容传感器4.变介电常数型电容式传感器上一页返 回下一页1.工作原理及类型工作原理及类型 S 极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数，；电容极板间介质的介电常数。S上一页返 回下一页变极距变极距(）型型:(a)、(e)变面积型变面积型(S)(S)型型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数变介电常数()型型:（i）(l)上一页返 回下一页2.变极距型电容传感器变极距型电容传感器非线性关系 若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能 差动结构也可提高灵敏度上一页返 回下一页平板式变面积型平板式变面积型平板式变面积型平板式变面积型baab kg减小、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度上一页返 回下一页2.非线性变极距型变极距型变极距型变极距型 将上式展开成泰勒级数得 取值不能大，否则将降低灵敏度 上一页返 回下一页采用差动形式差动形式，并取两电容之差为输出量 差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍 如果采用容抗 作为电容式传感器输出量被测量与 成线性关系 无需满足上一页返 回下一页3.3.3 传感器的特点和设计要点 1.特 点2.设计要点上一页返 回下一页1、特点、特点 优点:1.温度稳定性好温度稳定性好 （电容值与电极材料无关；本身发热极小）2.结构简单、适应性强 3.动态响应好动态响应好 4.可以实现非接触测量、具有平均效应上一页返 回下一页缺 点：1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响。2、寄生电容影响大 传感器的初始电容量小，而引线电缆电容、电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寄生电容却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度。上一页返 回下一页2.设计要点设计要点 (1).减小环境温度、湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能 (2).消除和减小边缘效应 (3).消除和减小寄生电容的影响，防止 和减少外界干扰 (4).尽可能采用差动式电容传感器 上一页返 回下一页低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应例 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：2r12r2H3.3.4 电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗上一页返 回下一页rC0CPRgL低频等效电路 传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容C=C0+Cp，等效电阻ReRg 上一页返 回下一页CRgAB高频等效电路 电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中C=C0+Cp，而rer 上一页返 回下一页reCLAB由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此 此时电容传感器的等效灵敏度为 当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。上一页返 回下一页3.3.5 电容式传感器测量电路(1)调频电路(2)运算放大器电路(3)双T型电桥电路(4)脉宽调制电路上一页返 回下一页(1)调频电路调频电路上一页返 回下一页当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，当被测信号不为零时，c0，此时频率为 具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 上一页下一页返 回(2).运算放大器式电路运算放大器式电路 最大特点最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性 Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 上一页下一页运算放大器式电路原理图uC-ACxu0返 回由运算放大器工作原理可知 结论结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性线性假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。上一页下一页返 回(3)二极管双二极管双T型电路型电路 上一页下一页U0iC1iC2UED1D2RRC1C2RL电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE 返 回若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路上一页下一页UE+RRRULLEiC2C2U0RRLR返 回供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下:上一页下一页在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成 返 回故在负载RL上产生的电压为 同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为 上一页下一页返 回电路的特点电路的特点: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，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。上一页下一页返 回(4).脉宽调制电路脉宽调制电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号 上一页下一页返 回上一页下一页差动脉冲调宽电路原理图差动脉冲调宽电路原理图返 回上一页下一页返 回uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为 式中UA、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。上一页下一页返 回C1、C2的充电时间式中 Ur触发器的参考电压 设R1=R2=R，则得 结论结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 上一页下一页返 回设电容C1和C2的极间距离和面积分别为1、2和S1、S2 差动变极距型差动变面积型 特性：特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何 差动式电容式传感器 并具有理论上的线性特性 上一页下一页返 回优优 点：点：采用直流电源，其电压稳定度高采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高对输出矩形波的纯度要求也不高 上一页下一页返 回例：现有一电容式位移传感器，如图A所示。其中园柱C为内电极，圆筒A、B为两个外电极，D为屏蔽套筒，CBC构成一个固定电容CF，CAC是随活动屏蔽套筒伸入位移量x而变的可变电容CX。采用图B电路检测，信号源电压为USR。问：在要求运放输出电压USC随输入位移x成正比时，标出CF和CX在图B中所连的位置，为什么？解：如图B所示，因为电容是CX可变面积的电容传感器。CXCF3.3.6 电容式传感器的应用(1)电容式差压传感器(2)电容式加速度传感器(3)电容式振动位移传感器上一页返 回下一页P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电容式差压传感器 结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 上一页返 回下一页231B 面A 面546Cx1Cx21、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 电容式加速度传感器上一页返 回下一页a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器电容式位移传感器应用 上一页返 回下一页3.3.7 容栅式传感器(1)基本类型及工作原理(2)容栅传感器电极的结构形式(3)信号处理方式(4)容栅式传感器应用上一页返 回下一页(1)基本类型及工作原理基本类型及工作原理 l长容栅长容栅l圆容栅圆容栅片状片状柱状柱状上一页下一页返 回长容栅长容栅上一页下一页返 回n动栅尺级片数 a,b栅极片长度和宽度为动栅尺和定栅尺的间距 为它们之间介质的介电常数 W为反射电极的极距上一页下一页返 回CCmaxC0W2W位移x24角度片状圆容栅片状圆容栅r2,r1 圆盘栅极片外半径和内半径 每条栅极片对应的圆心角（rad）上一页下一页返 回柱状圆容栅柱状圆容栅上一页下一页返 回1 定子2 转子(2)容栅传感器电极的结构形式容栅传感器电极的结构形式（a）直电极反射式（b）直电极透射式（c）反射式L型电极上一页返 回下一页(a)直电极反射式直电极反射式上一页下一页返 回结构形式简单，使用方便，移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大(b)直电极透射式直电极透射式上一页下一页返 回测量调整方便、安装误差和运行误差的影响降低、制造安装困难(c)反射式反射式L型电极型电极上一页下一页返 回增大反射电极的面积，增加耦合的电容量，提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性(3)信号处理方式信号处理方式鉴幅式测量电路系统可达到0.001mm分辨力，主要在测长仪上使用，鉴相式测量电路系统分辨力为0.01mm，主要在电子数字显示卡尺等数显量具上使用。上一页返 回下一页（a）鉴幅式测量系统）鉴幅式测量系统上一页返 回下一页（b）鉴相式测量系统）鉴相式测量系统上一页返 回下一页式中，Um发射电极激励信号基波电压幅值；发射电极激励信号基波电压的频率。设 上一页返 回下一页设 反映了传感器输出电压相位的变化规律，而又与位移x有关，故通过测量输出电压的相位，就可间接的测量位移的大小。鉴相式测量电路具有较强的抗干扰能力。鉴相式测量电路在理论上还存在非线性误差，同时由于激励电压含有高次谐波，影响了测量精度。上一页返 回下一页(4)容栅式传感器应用主要应用于量具、量仪和机床数显装置。角位移容栅传感器已在电子数显千分尺及机床分度盘中应用。线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显标尺中应用 上一页返 回