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1、measurement&process control technology,Kunming University of Science and Technology Department of Automation Engineering,Informational facultySpring 2010,检测及过程控制技术Measurement&Process control Technology,昆明理工大学信自学院自动化系,measurement&process control technology,昆明理工大学信自学院,检测及过程控制系统Measurement&Process cont
2、rol Technology第四章压力与真空度检测-电容式传感器（4.2）,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,4.1、电容式传感器工作原理及类型4.2、电容传感器的测量电路分析4.3、电容传感器的误差分析,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型、基本原理、传感器类型及特点,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、基本原理电容器的基本原理可以
3、分以下两种情况：（1）平行板电容器的工作原理用两块金属平行板作电极，可构成最简单的平行板电容器，如图所示，当忽略边缘效应时，其电容量C,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、基本原理（1）平行板电容器的工作原理（2）同轴圆柱形电容器由两个同心圆柱状极板构成同轴圆柱状电容器,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、基本原理（2）同轴圆柱形电容器由平行板电容工作原理可知，在 三个参数中保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容C改变。所
4、以一般电容式传感器，可分为以下三种类型。,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点1.变面积（S）型如图所示，可以通过角位移 或直线位移 的变化来改变两极板之间的覆盖面积S,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点1.变面积（S）型（1）角位移改变一个 角，则（线性关系）其中（即 为 初始电容量）（2）直线位移当其中一极板移动距离x时，则(线性关系）,measurement&process control
5、 technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点1.变面积（S）型（2）直线位移其中：特点：上述电容 与角位移，与直线位移x 均呈线性关系。上述电容器灵敏度K,其大小均与初始值 有关。,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点1.变面积（S）型特点：变化位移量（x或）不能太大，否则会产生非线性特性的边缘效应，因为边缘电场分布不均匀的原故。上述电容器，多数用来检测位移等参数。,measurement&process control technology,第4.1节 电
6、容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点2.变介质介电常数（）型（1）平行板电容器如图所示，此电容器相当于两个电容 和 相串联。其中 为两极板间两种介质 的厚度。,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点2.变介质介电常数（）型（1）平行板电容器由此可见：在 和（一般为空气介电常数）不变的情况下，变化 时，则电容器发生变化，可用作介质介电常数测量仪。反之，不变时，改变 则用作测厚仪使用。,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原
7、理及类型,、传感器类型及特点2.变介质介电常数（）型（2）同轴圆柱状电容器如图所示，总电容器相当于,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点2.变介质介电常数（）型（2）同轴圆柱状电容器,由此可见：传感器电容量C与液位高度 成线性关系，所以可以用作液位测量仪。,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器如图所示，其中定板1和动板2当动板2移动，改变间距，从而改变
8、了电容量C,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器当变化一个,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行板电容器结论：上述表明:在非线性误差灵敏度：,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（1）单极式平行
9、板电容器结论：灵敏度：显然 越小，灵敏度越高。但是非线性误差 会增大；存在矛盾。（2）双极板式平行板电容器为了克服上述灵敏度K和非线性误差 之间的矛盾，可采用差动式结构的电容器，如图所示,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（2）双极板式平行板电容器两块定板和中间一块动板组成差动结构。初始：动板在中间位置。则当动板上移 后，增加一个，减少一个,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及
10、特点3.变极板间距（d）型（2）双极式平行板电容器则那么差动输出，,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（2）双极式平行板电容器忽略高次项，整理得到结论：上述得到差动式电容器灵敏度是原来的2倍关系，提高了1倍。非线性误差,measurement&process control technology,第4.1节 电容式传感器工作原理及类型,、传感器类型及特点3.变极板间距（d）型（2）双极式平行板电容器非线性误差在数值上只减少了一个数量级。差动测量可以减少非线性误差（即系统误
11、差）,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,4.1、电容式传感器工作原理及类型4.2、电容传感器的测量电路分析4.3、电容传感器的误差分析,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,第4.2节 电容传感器的测量电路分析、电容传感器的等效电路、传感器类型及特点、主要特性,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、电容传感器的等效电路电容传感器在测量中的等效问题，如图所示的等效电路，C为传感器
12、电容其中：因此等效阻抗,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、电容传感器的等效电路考虑到 很小所以等效电容结论：电容传感器等效电容量 与 有关，即电源频率变化引起传感器电容量变化电容传感器电容量 与 有关，即引线长度变化也会变化引起传感器电容量变化，以上在实际测量时应引起注意。,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路1.作用和形式（1）作用电容传感器产生的电容值一般只有几个皮法至几十个皮法，这样微小信号不便直接显示、记录及传输，
13、测量电路的作用就是将电容传感器产生的电容变化量 转换成正比关系的电压、电流或频率信号。（2）形式测量电路的形式很多，目前常用典型线路有以下几种：,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路1.作用和形式（2）形式a）调制型：交流不平衡电桥（简称交流电桥），二极管环形检波器b）脉冲型：差动脉冲宽度调制电路。c）运算放大器型：运算法测量电路。,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（1）交流不平衡电桥是
14、电容传感器最基本的一种测量电路，如图所示,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（1）如同直流单臂桥的分析方法一样得：设初始桥平衡输出那么平衡条件：,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析当被测参数变化时，引起传感器阻抗产生一个 变化，即 考虑，忽略分母中 的因素后得：,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器
15、的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（1）式中：,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（2）上述分析，知道电桥输出 是一个交流值，且与桥臂系数 有关，那么下面我们来分析 是如何影响电桥输出的。设：所以,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（2）所以通过计算（将 代入桥臂系数 表达式中）得：,要提高桥输出，必须增大k值,measurement&proc
16、ess control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（2）可以作图来分析，如图(a)和(b)a）图(a)所示，以 为参变量作模 和 的关系曲线。结论：其中,measurement&process control technology,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（2）可以作图来分析，如图(b)b）图(b)所示，以 为参变量作相角 和 的关系曲线。结论:,measurement&process contro
17、l technology,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（2）可以作图来分析，如图(b)b）图(b)所示，以 为参变量作相角 和 的关系曲线。结论:,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（2）c）以上分析得出一下结论：桥输出值越大。所以欲使电桥电压灵敏度提高，在满足 的条件下，增大两桥臂阻抗 的幅角差 值（3）常用各种形式交流电桥的电压灵敏度和相位,measu
18、rement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析(3)常用各种形式交流电桥的电压灵敏度和相位如图所示常用交流电桥形式,根据上述规则,分析各种形式的电桥电压灵敏度以及相位情况,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电路分析（3）cda）图a，b b）图c,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路2.交流不平衡电桥电
19、路分析（3）b）图cc）图d 采用了差动式电容传感器，,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）（1）作用上述交流不平衡电桥、作为电容传感器测量电路，其输出为交流信号，故不能判断输入传感器的极性，不能反映被测参数的变化方向。而只能表达输入信号的大小（或称被测参数的变化大小）所以必须还要经过相敏检波电路和低通滤波器，才能最后得到反映输入信号大小和极性的输出信号，而环形检波电路的作用，其输出信号不仅能反映输入信号的大小，还能反映其相应的极性，下面我们来分析该电路的工作过程
20、。,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）（2）电路的组成如图所示,measurement&process control technology,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）（3）过程分析振荡器激励（交流正弦）电压经原边 加在副边，感应产生正弦电压e，并通过（我们考虑 阻抗回路中的其他阻抗。）产生的回路电流分别为,measure
21、ment&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）a）正弦电压e上半周时(,)二极管 导通，截止则b）正弦电压e下半周时(,+)二极管 导通，截止则,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）c）所以 d）稳幅放大器 的稳幅作用（稳定正弦电压e的幅值）,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,
22、、测量电路3.二极管环形检波电路分析（相敏检波电路）d）稳幅放大器 的稳幅作用（稳定正弦电压e的幅值）当正弦电压 回路电流（放大器 的输入信号）(放大器 的输出信号)即振荡器的输出正弦电压 最后放大器 的输入变化信号 稳定作用 通过上述的变化,可以起到正弦电压e的稳定作用,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析(相敏检波电路)e）比例放大器 的输入信号分析当（稳定时）由 得：同时，,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器
23、的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析(相敏检波电路)e）比例放大器 的输入信号分析（1）=（2）因此，信号电流 流经 时，在 分压产生的输入信号电压（右 左）,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析(相敏检波电路)综上所述，放大器的输入电压包括以下几个方面：信号电压，加在 同相端；调零电压，加在 反相端；产生的固定电压，加在 同相端；反馈电压，反极性加在 同相端，I位输出信号。,measurement&process control technology,第4.2节
24、 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析(相敏检波电路)f）比例放大器 的输入输出分析知道 放大器输入综合信号（理想放大器），那么,（输出电流）,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析(相敏检波电路)f）比例放大器 的输入输出分析当差动电容传感器变化时：则 或,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路3.二极管环形检波电路分析(相敏检波电路)g）结论 差动电容器其输出电流I
25、正比于 线性转换；调节，可改变比例放大系数，量程大小调节；调节，起到调零作用；调节，改变输出起始电流大小。,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（1）作用同二极管式线路相似，将差动电容传感器的输出变化信号转化成有极性方向和大小输出的直流信号。（2）组成,measurement&process control technology,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.差动脉
26、冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析a）上电后（接上电源）设双稳态触发器A端（Q端）高电平，则B端（端）低电平。则：,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析a）以上过程不断重复，则在双稳态触发器A、B两端各自产生一个宽度受 电容大小变化的，宽度不等方波脉冲，具体波形如图所示。,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)
27、（3）过程分析a）具体波形如图所示。b）波形分析当A、B端产生宽度相同的如图(a)波形A、B两点平均电压：；且 充电时间。,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析a）具体波形如图所示。b）波形分析当 时A、B端产生宽度不等的方波如图(b)，则A、B两点平均电压：；且 充电时间。,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过
28、程分析c）直流输出,则：,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析c）其中 为电容 的充电时间,参考电压，电平电压,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析c）,同理可求,的情况下,则,measurement&process control technology,第4.2节 电容传感器的测量电路分析,、测量电路4.
29、差动脉冲宽度调制电路(电容充放电电路)（3）过程分析c）当差动变化：d）结论：测量电路输出 具有线性输出特性输出 为100KHz1MHz矩形波只需经低通滤波器引出即可。输出 不需再加整流电路，其直流信号可表示传感器的信号大小和方向。,则,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,4.1、电容式传感器工作原理及类型4.2、电容传感器的测量电路分析4.3、电容传感器的误差分析,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,第4.3节 电容传感器的误差分析、误差分析,measu
30、rement&process control technology,第4.3节 电容传感器的误差分析,、误差分析在设计和应用电容传感器时，还要考虑温度、电场边缘效应、寄生电容和分布电容等因素的影响；它们会造成传感器特性的不稳定，甚至会导致传感器无法工作。（1）温度对传感器的影响温度变化（自身工作温度，环境温度变化）引起传感器结构尺寸的变化，引起电容介电常数的变化，从而引起传感器电容值的变化和波动，产生。结构尺寸：电容器极板材料的膨胀系数从,measurement&process control technology,第4.3节 电容传感器的误差分析,、误差分析（1）温度对传感器的影响而改变它的
31、截面积S和间隙d，引起微小变化。介质介电常数其中：（2）电容电场的边缘效应的影响如图所示：,measurement&process control technology,第4.3节 电容传感器的误差分析,、误差分析（1）温度对传感器的影响（2）电容电场的边缘效应的影响按理想状况，平板电容器电场均匀分布于两极板之间。实际上情况复杂得多，边缘电场的非均运性引起传感器灵敏度和非线性增加。所以采用以下克服方法,measurement&process control technology,第4.3节 电容传感器的误差分析,、误差分析（2）电容电场的边缘效应的影响所以采用以下克服方法a）增大初始电容值（增
32、大S减小d），以降低边缘效应的影响成分。b）加装等位环，清除边缘效应，如图所示，即在极板A同一平面内加装一个同心环G，使用时A和G两面间保持等电位。,measurement&process control technology,第4.3节 电容传感器的误差分析,、误差分析（3）寄生电容，分布电容的影响消除方法静电屏蔽措施即将电容传感器极板放置在金属壳体之内。并将壳体与大地相连；引线采用屏蔽线且屏蔽外层良好接地；采用如图所示驱动电缆技术,measurement&process control technology,第4.3节 电容传感器的误差分析,、误差分析（3）寄生电容，分布电容的影响采用如图
33、所示驱动电缆技术即双层电缆屏蔽以克服电缆本身引起的电容影响（每米电缆可达几个PF到几百个PF），其过程是使内层与芯线同电位，从而清除了芯线和内层之间的分布电容的影响，外层良好接地。,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,4.1、电容式传感器工作原理及类型4.2、电容传感器的测量电路分析4.3、电容传感器的误差分析4.4、本章作业练习（或案例）,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,第4.4本章作业练习（案例）（1）例题分析：例4-1：变间距（d）型平行板电容器
34、，当，若要求测量线性度为0.1%。求：允许间距测量最大变化量是多少？解：当变间距平行板电容传感器 时，其线性度表达式为：,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,第4.4本章作业练习（案例）（1）例题分析：例4-1：解：由题意得应变片电阻相对变化量当变间距平行板电容传感器 时，其线性度表达式为：由题意故得：，即测量允许变化量。,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,第4.4本章作业练习（案例）（1）例题分析：例4-2：已知：差动电容器的初始电容，交流信号源电压有
35、效值，频率。求：（1）在满足有最高输出电压灵敏度条件下设计交流不平衡电桥电路，并画出电路原理图（2）计算另外两个桥臂的匹配阻抗值；（3）当传感器电容变化量为 时，求桥路输出电压。,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,第4.4本章作业练习（案例）（1）例题分析：例4-2解：（1）根据交流电桥电压灵敏度曲线可知，当桥臂比A的模，相角 时，桥路输出电压灵敏度系数有最大值 按此设计的交流不平衡电桥如图3-3所示。因为，则。当 时,要选择为电容和电阻元件,measurement&process control technology,第4章 压力及真空度的检测,第4.4本章作业练习（案例）（1）例题分析：例4-2解：计算另外两个桥臂的匹配阻抗值（2）（3）交流电桥输出信号电压根据差动测量原理及桥压公式得：,
