2019年电容式传感器.ppt

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1、1,3.4 电容式传感器,电容式传感器是将被测参数变换成电容量变化的测量装置。它的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构的参数之间的关系。,工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量。实质上相当于具有可变参数的电容器。应用范围:位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量。,2,3.4 电容式传感器,3.4.1 电容式传感器的工作原理3.4.2 电容式传感器主要性能3.4.3 电容式传感器的特点和设计要点3.4.4 电容式传感器等效电路3.4.5 电容式传感器测量电路3.4.6 电容式传感器的应用,3,3.4.1 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

2、传感器4.变介电常数型电容式传感器,4,1.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。,5,当被测参数变化使得S、d 或发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。,6,分类示意图,7,变极距(）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数()型:（i）(l),8,2.变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d1时，则式（3

3、.4.3）可简化为,若极距缩小d：,最大位移应小于间距的1/10。差动式改善其非线性。,初始电容：,9,电容量与极板间距离的关系,10,3.变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度a方向平移时，其电容变化量化为：,C与x间呈线性关系,11,电容式角位移传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系。,12,4.变介电常数型电容式传感器,初始电容：,电容式液位传感器：传感器的电容量正比于被测液位的高度h。,电容与液位的关系为：,13,当L=0时，传感器的初始电容：,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为：,电容变化量与电介质移动量L呈线性关系。,14,变介电常

4、数型电容传感器应用原理,(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,15,（b）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：,16,3.4.2 电容式传感器主要性能,1.静态灵敏度 被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。2.非线性,17,对于变极距型，其静态灵敏度为：,将上式展开成泰勒级数得,但d过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm)，在极间加一层云母片(击穿电压103kv/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,18,式中：g

5、云母的相对介电常数，g=7；0空气的介电常数，0=1；d0空气隙厚度；dg云母片的厚度。,加入介质后电容为：,19,云母片的相对介电常数是空气的7倍，其击穿电压不小于1000 kV/mm，而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片，极板间起始距离可大大减小。一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间，极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10，故在微位移测量中应用最广。,击穿电压:使电介质击穿的电压。电介质在足够强的电场作用下将失去其介电性能成为导体,称为电介质击穿,所对应的电压称为击穿电压。,20,表1 电介质材料的相对介电常数,21,平板式变面积型,b,

6、a,a,b d kg,减小d、加云母片、增大b、采用差动结构可提高灵敏度,22,2.非线性,变极距型,将上式展开成泰勒级数得,23,可见，输出电容的相对变化量C/C0与输入位移d之间成非线性关系，当|d/d|1时可略去高次项，得到近似的线性关系：,电容传感器的灵敏度为：,说明：单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小（即灵敏度）与d呈反比关系。,d 取值不能大，否则将降低灵敏度。,24,如果考虑式中的线性项与二次项，则,由此可得出传感器的相对非线性误差为,由以上两式可以看出：要提高灵敏度，应减小起始间隙d，但非线性误差却随着d 的减小而增大。,25,差动式变间隙型电容传感器,26,动极板上移

7、时：,初始位置时，,27,采用差动形式，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d 成线性关系,无需满足,28,略去高次项，则C/C0与d/d近似成为如下的线性关系：,如果只考虑式中的线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差近似为：,29,差动的好处,灵敏度得到一倍的改善线性度得到改善,30,3.4.3 传感器的特点和设计要点,1.特 点2.设计要点,31,1、特点,优点:1.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，能够承受高压力、高冲击、过载等情况。,32,3.动态响应好

8、,极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小；可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移。可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻；其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电。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。,33,4.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。,34,缺 点：,1、输出阻抗高、负载能力

9、差；传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，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，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。,35,2、寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、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，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(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。,36,2.设计要点,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；消除和减小边缘效应；

10、消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰；尽可能采用差动式电容传感器。,低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应。,37,（1）减小温度误差、保证高的绝缘性能,选材、结构、加工工艺：电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）；电极支架：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等做支架 电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为0）；采用差动结构、测量电路，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。,38,传感器密封，用以防尘、防潮。,传感器内电极表面不便

11、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。,39,（2）消除和减小边缘效应,理想条件下，平行板电容器的电场均匀分布于两极板所围成的空间，这仅是简化电容量计算的一种假定。当考虑电场的边缘效应时，情况要复杂的多，边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起了传感器灵敏度下降和非线性增加。,40,边缘效应 理想电容器的电场线是直线,而实际电容器只有中间有些区域勉强是直线,越往外电场线弯曲的越厉害。到电容边缘时电场线弯曲最厉害,这种电场线弯曲现象就是边缘效应。(只针对平行板电

12、容器),41,边缘效应,危害：灵敏度降低 产生非线性 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。,42,等位环 结构,带有等位环的平板电容传感器原理1、2 电极 3等位环,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。,43,（3）消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。,寄生电容与传感器电容并联，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

13、减小。（a）屏蔽和接地（b）增加初始电容值，降低容抗。（c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。（d）尽可能一点接地，避免多点接地。,44,(4)差动技术的运用,减小非线性误差；提高传感器灵敏度；减小寄生电容的影响；温度、湿度等环境因素的影响；,45,3.4.4 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；R2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R1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

14、电损耗和介质损耗,46,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，L和R2的影响可忽略等效电容Ce=C0+Cp，等效电阻ReR1，R1是极间等效漏电阻。,47,高频等效电路,电容的阻抗变小，L和R2的影响不可忽略，漏电阻的影响可忽略，其中Ce=C0+Cp，而ReR2,R2由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；,48,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。,49,3.4.5 电容式传感器测量

15、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,50,（1）调频电路,测定频率经鉴频器将频率变化转成电压幅值的变化，就可测得被测量的变化,51,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,52,（2）运算放大器式电路,最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性,Cx-传感器电容；C-固定电容；U0-输出电压信号。,运算放大器式电路原理图,53,由运算放大器工作原理可知,结论：从原理上保证变极距型电容式传感器的线性。假

16、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。,54,（3）二极管双T型电路,55,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iL为i1 和i2的代数和。,56,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

17、RL的总电流iL为i1 和i2的代数和。,57,其中K是有电阻R1、R2和RL决定的常数，f为电源电压频率，UE为电源电压幅值。可见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。,在负载RL上产生的电压为：,58,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。,59,(4).差动脉冲调宽电路,利用对传感器电容的充

18、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。,60,差动脉冲调宽电路原理图,61,62,63,64,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。,65,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：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比,66,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：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

19、性,67,优 点：,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,68,3.4.6 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,Capacitor,69,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,70,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,电容式差压变送器,71,各种电容式差压变送器外形,

20、72,法兰,73,1、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,74,硅微加工加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，可输出与加速度成正比的电压，也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。,75,微加工三轴加速度传感器,技术指标：灵敏度：500mV/g，量程：10g，频率范围：0.5-2000Hz，安装谐振点:8kHz，分辨力：0.00004g，重量：200g，安装螺纹：M5 mm，线性误差：1%,76,硅微加工

21、加速度传感器原理,1 加速度测试单元 2 信号处理电路 3 衬底 4 底层多晶硅（下电极）5 多晶硅悬臂梁 6 顶层多晶硅（上电极）,77,当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。,78,a)测振幅,b)测轴回转精度和轴心偏摆,电容式位移传感器应用,79,电荷平衡式位移传感器,可变电压VM与

22、测头的位置成比例 已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。,80,利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p=g h,81,电容差压变送器用于测量液体的液位,投入式水位计,82,电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。,聚四氟乙烯外套,83,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,84,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指

23、压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,85,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源指示灯,86,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,87,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,88,利用加速度传感器实现延时起爆的钻

24、地炸弹。,传感器安装位置,89,电容传声器,传声器（Microphone）俗称话筒，音译作麦克风，是一种声电换能器件，可分电动和静电两类，目前广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。它能提供非常高的音响质量，频率响应宽而平坦，是高性能传声器，但这种传声器制造工艺复杂，价格高，需外加60-200V的极化电压源，一般在专业领域使用较多。,驻极体电容传声器,大膜片电容传声器,90,湿敏电容,利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气

25、，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。,91,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,92,湿敏电容模块及传感器外形,93,湿敏电容传感器的安装使用,在野外的使用,带报警器的家庭使用型,94,指纹识别,指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很,小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。右图为指纹经过处理后的成像图：,95,指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。,指纹识别,间隙变化型,