传感器与检测技术基础电容式传感器ppt课件.ppt

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1、第三章 电容式传感器,各种电容式传感器,以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。,电容式位移传感器的位移测量范围在1um10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。,S 极板的遮盖面积，单位为m2； 极板间介质的介电系数；两平行极板间的距离，单位为m；0 真空的介电常数，0 =8.85410-12 F/m；r 极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，r 1。,3.1 电容式传感器的工作原理及特性,3.1.1 基本工作原理,平行极板电容器的电容量为：,3.1.2 电容式传感器的类型和特性,1. 变

2、极距型电容传感器,图3-1 变极距型电容传感器,下极板上移：,设动片未移动时极板间距为0,初始电容量为：,电容的相对变化量为：,略去高次项，得：,所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足0的条件。且一般只能在极小的范围内变化。,非线性误差与/0有关。其表达式为：,传感器的灵敏度为：,差动式变间隙型电容传感器,动极板上移：,初始位置时，,提高一倍,减小,略去高次项：,电容量的相对变化为 ：,非线性误差为：,灵敏度：,角位移变面积型,2. 变面积型电容传感器,显然：电容C 与角位移呈线性关系。,板状线位移变面积型,线性,当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S ，电容量C同样随之变化

3、。,同心圆筒形线位移电容式传感器,初始电容C0为：,当覆盖长度变化时，电容量也随之变化。当内筒上移为a 时，内外筒间的电容C1为：,3. 变介电常数型电容传感器,(a) 单组式平板形厚度传感器,设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为；被测物的厚度和它的介电常数分别为x和 ,则,单组式平板形线位移传感器,设极板宽度为b，板间无介质2 时，传感器的电容量为：,插入介质2 后的电容量为：,所以,该式表明：电容量C与位移x成线性关系。,(c) 液位传感器,圆筒式液位传感器,其中,例3-1 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.

4、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传感器用在该储存灌内时的灵敏度。,解：因为,所以,同理，当被测液位高度最大，即hx= h =1.2m时传感器的电容量最大。,图5-5 变面积型电容传感器原理图,储存灌的容积为：,故传感器的灵敏度为：,3.2 电容式传感器的测量电路,3.2.1 电容传感器的等效电路,图3-9 电容传感器等效电路,3.2.2 电容传感器的测量电路,1. 电桥电路,图3-10 电容传感器构成的交流电桥,图3-10 电容传感器构成的交流电桥,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

5、电源下工作。,图3-11 变压器式 交流电桥,变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。差动式电容传感器接入变压器式电桥，当放大器输入阻抗极大时，对任何类型的电容式传感器，电桥输出电压与输入位移均成线性关系。,在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大；接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小，所以必须后接高输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。,由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施，,2. 运算放大器电路,Cx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，

6、可认为运算放大器输入电流为零，根据克希霍夫定律，有：,如果传感器是一只平行板电容，则：,代入（3-20）式得：,可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。,上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。,3. 二极管双T形电路,图3-14 二极管双T形电路,若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极短的时间充电至UE ，电容C2的电压初始值为 UE ，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL 的放电电流为i2，流过RL 的总电流

7、iL为i1 和i2的代数和。,在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至电压UE；电源经电阻R2以i1 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL 的放电电流为i2。流过RL的总电流iL为i1 和i2的代数和。,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i 2如下：,在 时,电流i2的平均值I2可写成,电容C1上的平均电流为:,故在负载RL上产生的电压为：,当RL已知时， 为常数，设为K，则,输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压只是电容C1和C2 的函数。

8、,双T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。,又称差动脉冲调宽 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。,C1、C2为差动式传感器的两个电容，若用单组式，则其中一个为固定电容，其电容值与传感器电容初始值相等；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。,4、差动脉宽调制电路,当接通电源后，若触发器Q端为高电平(U1)， 端

9、为低电平(0)，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF 升到与参考电压Ur 相等时，比较器A1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平， 端为高电平(U1)。此时，电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由 端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器A2输出一脉冲使触发器翻转，此时，电容C2通过二极管D2迅速放电至零，如此交替激励。,显然，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2的调制。当C1=C2 时，电路各点的电压波形如图3-17(a)所示，Q和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当差动电容C1和C2的值不相等，例如C1C2时，

10、C1和C2充放电时间常数发生变化，电路中各点的电压波形如图3-17(b)所示。,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,U1,T1,T2,t,t,t,t,t,t,t,t,t,(a),(b),差动脉冲调宽电路各点电压波形图,U0,根据电路知识可知：,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。,C1、C2的充电时间T1、T2为：,A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电

11、压平均值UA与UB之差，,设R1R2R，则,说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。,对于差动式变极距型电容传感器：,对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为S，则滤波器输出为：,可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；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。,5、调频电路,振荡回路固有电容,传感器电容,引线分布电容,图3-18 调频式测量电路原理框图,调频电路的优点：,抗干扰能力强

12、 特性稳定 高电平直流信号 易于接口,3.3 电容式传感器的特点及设计 与应用中存在的问题,3.3.1 电容传感器的特点,1电容式传感器的优点 （1）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，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其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。,（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

13、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

14、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。,2.电容式传感器的缺点 (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106108。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M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

15、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，而其引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、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。,“寄生电容” 降低了传感器的灵敏度，且是随机变化的，使传感器的工作不稳定，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

16、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。,3.3.2 设计与应用中存在的问题 电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。,1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、

17、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。,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，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。 传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防潮。可在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可减少表面损耗、降低温度系数。,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。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料。例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷

18、等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，可以考虑选用。,尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质（也不受湿度变化的影响）作为电容式传感器的电介质。若用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差。这种误差虽可用后接的电子电路加以补偿，但无法完全消除。,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。 选用50kHz至几MHz作为电容传感器的电源频率，以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。 传感器内所有的零件应先

19、进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。壳体的刚性要好，以免安装时变形。,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。,图3-19 边缘效应,2消除和减小边缘效应,等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电位，使电极1和2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。,可在结构上增设等位环来消除边缘效应。,图3-20 带有等位环的平板式电容器传感器,边缘效应引起的非线性与变极距型电

20、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。,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。,3消除和减小寄生电容的影响,（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,（1）增加传感器原始电容值 采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF

21、范围内，相对值变化在 10-61范围内。,（2）集成化 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。,当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。,（3）“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术,采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能。,图3-21 “驱动电缆”技术,传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过增益为1的放大器成为等

22、电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。,由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。,外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。,当电容式传感器的初始电容值很大(几百F)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。,内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。,图3-22 运算放大器式

23、法,（4）运算放大器法,利用运算放大器的虚地减小引线电缆寄生电容CP。电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点,电缆的屏蔽层接仪器地,这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/(1A)，大大减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。,传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采用双屏蔽层电缆，其外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。实际上，这是一种不完全的电缆“驱动技术”，结构较简单。开环放大倍数A越大，精度越高。选择足够大的A值可保证所需的测量精度。,将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止

24、外界的干扰。,（5）整体屏蔽法,C1和C2构成差动电容传感器，与平衡电阻Z1和Z2组成测量电桥，Cp1和Cp2为寄生电容 。,图3-23 交流电桥的整体屏蔽,屏蔽层接地点选择在两平衡电阻阻抗臂Z1和Z2中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容Cp1和Cp2分别与Z1和Z2相并联。如果Z1和Z2比Cp1和Cp2的容抗小得多，则寄生电容Cp1和Cp2对电桥平衡状态的影响就很小。,最易满足上述要求的是变压器电桥。,图3-11 变压器式交流电桥,Z1和Z2是具有中心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过Z1和Z2的电流大小基本相等但方向相反。因Z1和Z2在结构上完全对称，所以线圈中的合成磁通近于零，

25、Z1和Z2仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它们都很小。结果寄生电容Cpl和Cp2对Z1和Z2的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影响交流电桥的平衡。,还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器两电容C1和C2之间。这样进一步降低了外界电磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达10m以上时仍能测出 1pF的电容。,（6）防止和减小外界干扰 当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为：,图5-5 变面积型电容传感器原理图,屏蔽和接地。传感器壳体、导线、传感器与测量电路前置级等。增加原始电容量，降低容抗。导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。,图5-5 变面积型电容传感器原理图,采用差动式电容传感器，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温度、湿度等误差。,