传感器与检测技术 第4章 电容式传感器 电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。 优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 第4章 电容式传感器 4.1 电容式传感器的工作原理及类型 工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 4.1 电容式传感器的工作原理及类型 类型 变极距(或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型。 电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。 4.1 电容式传感器的工作原理及类型 4.2 电容传感器的灵敏度及非线性 变极距型电容传感器：当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化 ，其电容变化量ΔC为 4.2 电容传感器的灵敏度及非线性 变面积型电容传感器：变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为 4.2 电容传感器的灵敏度及非线性 变介电常数型电容传感器：大多用来测量电介质的厚度、液位，还可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。 若忽略边缘效应，单组式平板形厚度传感器如下图，传感器的电容量与被测厚度的关系为（C与 δ成单值函数关系） 4.2 电容传感器的灵敏度及非线性 若忽略边缘效应，单组式平板形线位移传感器如下图，传感器的电容量与被位移的关系为 4.2 电容传感器的灵敏度及非线性 若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被测液位的关系为 4.3 电容传感器的等效电路 4.3.1 电容传感器的特点 4.3.2 电容式传感器的等效电路 4.3.1 电容传感器的特点 优点： ①温度稳定性好 ②结构简单、适应性强 ③动态响应好 ④可以实现非接触测量，具有平均效应点 4.3.1 电容传感器的特点 缺点： ①输出阻抗高，负载能力差 ②寄生电容影响大 ③输出特性非线 电容式传感器的等效电路 4.4 电容传感器的设计要点 1．保证绝缘材料的绝缘性能 电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金为好。 传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封。 传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。 在可能的情况下，传感器内尽量采用差动对称结构，这样可以通过某些类型的测量电路(如电桥)来减小温度等误差。 4.4 电容传感器的设计要点 2．消除和减小边缘效应 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，因此应尽量消除或减小它。 4.4 电容传感器的设计要点 3．消除和减小寄生电容的影响 寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，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。 （1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽； （3）集成化 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法； （6）整体屏蔽法 4.4 电容传感器的设计要点 4．防止和减小外界干扰 屏蔽和接地。 增加原始电容值以降低容抗。 导线和导线要离得远，以减小导线间分布电容的静电感应。导线要尽可能短，最好成直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏蔽线。 尽可能一点接地，避免多点按地。地线要用粗的良导体或宽印刷线。 尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和干扰。 4.5 电容式传感器的转换电路 1. 电桥电路 4.5 电容式传感器的转换电路 2. 二极管双T形电路 电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。 4.5 电容式传感器的转换电路 根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下： 4.5 电容式传感器的转换电路 4.5 电容式传感器的转换电路 3. 差动脉冲调宽电路 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。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。 4.5 电容式传感器的转换电路 4.5 电容式传感器的转换电路 4.5 电容式传感器的转换电路 4.5 电容式传感器的转换电路 4. 运算放大器式电路 其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线 电容式传感器的应用举例 压力测量：差压传感器、变面积传感器、荷重传感器 水分检测：粮食、油 液位测量 加速度测量 4.6 电容式传感器的应用举例 4.6 电容式传感器的应用举例 第4章 本章要点 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示 电容式传感器 工作原理 灵敏度及非线性 特点及等效电路 设计要点 转换电路 由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。 δ、S和εr中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0、δ或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；εr的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际应用中，为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响，常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。 这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。 可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线．温度稳定性好 传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，因此只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸即可，其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在铜损、涡流损耗等，引起本身发热产生零漂。 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、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。 3．动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约几个10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。 4．可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。 1．输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106～108Ω。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。 2．寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而其引线m导线pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，①降低了传感器的灵敏度；②这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求 3、输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。 随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，使电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服。电容传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。 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，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。 减小环境温度、湿度等变化所产生的误差,以保证绝缘材料的绝缘性能,温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变,从而改变传感器的电容量,产生温度误差。湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。 适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。此外，可在结构上增设等位环来消除边缘效应。等位环3与电极2在同一平面上并将电极2包围，且与电极2电绝缘但等电位，这就能使电极2的边缘电力线之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等 位环3外周不影响传感器两 极板间电场。边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈。其中另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。而变压器式电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。 特点：①高频交流正弦波供电； ②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施； ③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥； ④输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。 其中二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流iC2如下： 电路特点： ①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； ②电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定； ③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； ④适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。 SM Ch4 * 四川理工学院 Sensor and Measurement Technology Ch0; Ch1; Ch2; Ch3; Ch4; Ch5; Ch6; Ch7; Ch8; Ch9 传感器的工作原理及类型 1 电容传感器的灵敏度及非线 电容传感器的特性等效电路 3 电容传感器的设计要点 4 电容式传感器的转换电路 5 电容式传感器的应用举例 6 S—极板相对覆盖面积； δ—极板间距离；εr—相对介电常数； ε0 —线pF/m； ε —电容极板间介质的介电常数。 S δ ε 图4-1 变极距型电容传感器结构原理 图4-2 变面积型电容传感器结构原理图 图4-3 变介电常数型电容传感器结构原理图 C0—极距为时的初始电容量。 δ 2 变极距型电容传感器 1 C C0 C- 特性曲线 l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为 δx 厚度传感器 C1 C2 C3 C C1 C2 C3 C C4 l 平板形 lx a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ； δ:两固定极板间的距离； δx、ε、ε0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数。 液位传感器 h C1 C C2 2r1 2r2 hx C0 Cp Rg L r Ce Re L re Ce 供电电源频率为谐振频率的1/3~1/2 带有等位环的平板电容 传感器结构原理图 均匀电场 1 2 3 3 边缘电场 图4-13 电容式传感器构成交流电桥的一些形式 C2 UE (b) Ｕｏ R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC1 iC2 + + － ＋ ±UE (a) C1 C1 C2 UE RL RL R R R R + + + + iC1 iC2 i’C1 i’C2 在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2 （时间常数） T/2时, 电流iC2的平均值IC2可以写成下式： 同理，负半周时电容C1的平均电流: 故在负载RL上产生的电压为 R2 双稳 态触 发器 VD1 VD2 A1 A2 A B R1 C1 C2 uAB F Q Q Ur 差动脉冲调宽电路 G U1 t uA uA uB uB uAB uAB UF UF UG UG Ur Ur Ur Ur -U1 U1 T1 U1 -U1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T2 U1 U1 U1 T1 T2 t t t t t t t t t (a) (b) U0 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为 UA、UB—A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。 C1、C2的充电时间T1、T2为 设R1＝R2＝R，则 Ur—触发器的参考电压。 设电容C1和C2的极间距离和面积分别为 1、 2和S1、S2，将平行板电容公式代入上式，对差动式变极距型和变面积型电容式传感器可得 可见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。具有这个特性的电容测量电路还有差动变压器式电容电桥和由二极管T形电路经改进得到的二极管环形检彼电路等。 运算放大器式 电路原理图 -A uo C Cx u ∑ ～ 代入 电容式油量表 SM Ch4
2、成为VIP后，下载本文档将扣除1次下载权益。下载后，不支持退款、换文档。如有疑问请联系我们。
3、成为VIP后，您将拥有八大权益，权益包括：VIP文档下载权益、阅读免打扰、文档格式转换、高级专利检索、专属身份标志、高级客服、多端互通、版权登记。
4、VIP文档为合作方或网友上传，每下载1次， 网站将根据用户上传文档的质量评分、类型等，对文档贡献者给予高额补贴、流量扶持。如果你也想贡献VIP文档。上传文档
电气工程学院2003—2004学年第二学期考试试题B科目电磁场学.DOC
留学生联谊会申请单-ShandongUniversity-山东大学.DOC
原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者