传感器原理及应用第四章-电容式传感器课件.ppt

1、2022-7-251第四章第四章 电容式传感器电容式传感器 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，把某些非电量的变化通过一个可变电容器转换成电容量变化的装置，称为电容式传感器。电容式传感器实质上是一个具有可变参数的电容器。2022-7-252优点优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量非接触测量等。应用应用：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。在以前学过的几种传感器中，那在以前学过的几种传感器中，那种可以实现非接触测量？种可以实现非接触测量？2022-7-2532022-7-2544.1

2、电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理和结构和结构4.2 电容式传感器的类型及特点电容式传感器的类型及特点4.3 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路4.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 2022-7-255 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为式中:电容极板间介质的介电常数,=0r,其中0为真空介电常数,r为极板间介质相对介电常数;A两平行板所覆盖的面积;d两平行板之间的距离。dAcd d A A 4.1 电容式传感器的工作原理2022-7-256 当被测参数变化使得式中的A,或d发生变化时,电容量C也随之变化。如果保持

3、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。因此,电容式传感器可分为变极距型变极距型、变面积型变面积型和变介质型变介质型三种类型。2022-7-257L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；Rs由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C为传感器本身的电容；Rp是极间等效漏电阻,极板间的漏电损耗和介质损耗;这部分损耗的影响通常在低频时较大，频率高，容抗减小，影响小。等效电路是一谐振电路，谐振频率为几十兆赫兹，低于此频率（1/3或1/2）才能正常工作LSRpRCAB一、电容型传感器的等效电路4.2 4.2 电容式传感器的类型及特

4、点电容式传感器的类型及特点2022-7-258LCCCe21电容的实际相对变化量LCCCCCe21CjLjCje11因此，电容传感元件的实际相对变化量与传感元件的固有电感（包括引线电感）及角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定时的条件相同，否则将会引入测量误差。2022-7-259二、电容型传感器的类型及特点1 变极距式电容传感器2022-7-25100100dAc当传感器的r和A为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为：若电容器极板间距离由初始值d0缩小d,电容量增大C,则有：00011CCCCdd .)dd()dd(ddddCC 30200001非线性误差部非线性误差部分分高次项

5、高次项2022-7-2511由上式可知,传感器的输出特性C=f(d)不是线性关系,而是如图 所示双曲线关系。通过观察可知：变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，C1与d才近似呈线性关系,才有近似的线性输出。0 rAACdd 2022-7-2512 考虑：观察特性曲线，为了提高灵敏度，应使当考虑：观察特性曲线，为了提高灵敏度，应使当d d小小些还是些还是 大些？大些？由上图可以看出：由上图可以看出：在在d d0 0较小时较小时,对于同样的对于同样的dd变化所引起的变化所引起的CC可以增大可以增大,从而使传感器灵敏度提高。从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为此,极板

6、间可采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质，此时电容C变为2022-7-2513 上式中:g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。000ddACgg2022-7-2514 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,而空气的仅为3kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。同时,由于(dg/0g)项是恒定值,它能使传感器的线性度得到改善。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。虽然放置云母片

7、后，传感器的输出特性的线性度得到改善，但在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。2022-7-2515 2022-7-25160d0d1C2Cx0011ddCC0021ddCC30200011ddddddCC3020002)()(1ddddddCC50300021)(2)(22ddddddCCCC2022-7-2517002ddCC则差动电容式传感器的灵敏度K0为0002ddCCK电容式传感器的相对非线性误差近似近似为%100)(%100)(2)(22003dddddd2022-7-25182022-7-2519角位移角位移板状板状筒形筒形2 变面积式电容传感器角位移

8、：极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移度时，两极板的遮盖面积A电容量。板状线位移：极板2可以左右移动。极板1固定不动。筒形：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。2022-7-2520下面以板状线位移为例dbxaCCCr)(00axCC0axCCK100 2022-7-2521变面积式电容传感器的灵敏度和那个参数有关系？axCCK100变极距式电容传感器的灵敏度和那个参数有关系？0002ddCCK2022-7-2522当=0时，则0000dACr当0时，则000001CCdACr以角位移为例以角位移为例2022-7-2523l 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插

9、入不同介质时，电容器的电容量也就不同。电容式位移传感器、电容式厚度传感器、电容式物（液）位传感器就属于这种情况。下面仅以电容式位移传感器为例来说明。图中两平行电极固定不动图中两平行电极固定不动,电介质以不同深度插入电容电介质以不同深度插入电容器中器中,从而改变两种介质的从而改变两种介质的极板覆盖面积。极板覆盖面积。0L1r2rd0L3 变介电常数式2022-7-2524若电介质r1=1，当L=0时，传感器初始电容00000dbLC当被测介质r2进入极间L深度后，引起电容相对变化量为020001LL)(CCCCCr电容量的变化与电介质r2的移动量L成线性关系。02010021dL)LL(bCCC

10、rr2022-7-2525 圆筒形变介电常数式2022-7-2526)(dDlnhdDlnH 1221 1：液体介质的介电常数：液体介质的介电常数0 0:空气的介电常数；空气的介电常数；H:H:电极板的总长度；电极板的总长度；d d、D D：电极板的内、外径；：电极板的内、外径；dDln)(BdDlnHA 122令dDln)hH(dDlnhC 221BhAC电容量电容量C C与位移与位移h h呈线性关系呈线性关系!2022-7-2527表表 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数在电容器两极板间插入干的纸和潮湿在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？的纸时，哪一种

11、情况下的电容量大？2022-7-25284.3 电容式传感器的测量转换电路电容式传感器的测量转换电路用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有：调频电路、运算放大器电路、二极管双T交流电桥、脉冲宽度调制电路等转换电路。2022-7-2529l 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。振荡器限幅鉴频放大输出cL当被测信号为0时，C=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0，且LCCCf)(2102101、调频电路2022-7-2530当被测信号不为0时，C0，振荡器频率f0有相应变化，此时频率为ffLCCC

12、Cf0021)(21调频电容传感器转换电路具有较高灵敏度，可以测至0.01m级位移变化量。频率输出易用数字仪器测量和与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收以实现遥测遥控。2022-7-2531 K CxC0UiU0IXIi0Ix0i0CCuudACxdACuu0i0输出电压输出电压u u0 0与动片机械位移与动片机械位移d d成线性关系。成线性关系。2、运算放大器式电路运算放大器特点：放大倍数K非常大，输入阻抗Zi很高。K：虚地点 C0：电容式传感器；Ui：交流电源电压；U0：输出信号电压2022-7-25323、二极管双二极管双T型交流电桥型交流电桥2022-7-2533 若传感器输入不

13、为 0,则C1 C2,那么I1I2,此时RL上必定有信号输出,其输出在一个周期内的平均值为 21202121CCfURRRRRRdtRtItITRIUiLLLTLLLo 式中f为电源频率。当RL已知,由于R（R+2RL）/（R+RL）2RL=M（常数）,则 Uo=Ei fM(C1-C2)2022-7-2534电路特点：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。2022-7-25354、脉冲宽度调制电路2022-7

14、-2536UAB经低通滤波后，得到直流电压U0为 12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBAUA、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。2022-7-2537C1、C2的充电时间T1、T2为 rUUUCRT11111lnrUUUCRT11222ln设R1R2R，则 rUCCCCU21210因此，输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。Ur触发器的参考电压。2022-7-2538 设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和A1、S2，将平行板电容公式代入上式，对差动式变极距型差动式变极距型和变面积型变面积

15、型电容式传感器可得EEUAAAAUUddddU1212021120；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任何差动式电容式传感器，并具有理论上的线性特性线性特性。这是十分可贵的性质。在此指出：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差动变压器式电容电桥和由二极管二极管T形电路经改进得到的二极管环形检彼电路形电路经改进得到的二极管环形检彼电路等。另外，差动脉冲调宽电路采用直流电源，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。2022-7-25391 1、电容式液位计、

16、电容式液位计4.4 电容式传感器的应用电容式传感器的应用2022-7-25402、压力传感器、压力传感器2022-7-2541装有传感器的假人装有传感器的假人气囊气囊(1)加速度传感器在汽车中的应用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。2022-7-2542（2）汽车气囊的保护作用）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。2022-7-2543传感器安装位置传感器安装位置(3

17、)利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹2022-7-25443、电容液位计2022-7-2545引申小知识l 大家都用过收音机。当你搜寻电台时有没有想过，收音机是依靠什么元器件来调谐电台的呢？如果打开收音机的后盖，就可以看到与调谐旋钮联动的是一个旋转式可变电容器。当你顺时针旋转调谐旋钮时，变面积式可变电容器的动片就随之转动，改变了与定片之间的覆盖面积A，电容量C也就越来越小，如图所示，谐振频率也随之改变,从而可以从550kHz逐渐增加到1650kHz，就可以从一个电台转换到另一个电台。在数字式收音机中，是用变容二极管来调谐电台的。l 电容器在电子仪表中作为元器件来使用；在非电量检测中作为测量

18、位移的传感器来使用。2022-7-2546例1.电容测微仪的电容器极板面积A=28cm2，间隙d=1.1mm，相对介电常数r=1，0=8.8410-12F/m 求：（1）电容器电容量。（2）若间隙减少0.12mm，电容量又为多少？341200101.1/10281084.81/dACrF12105.22 ddACrx/034121012.01.1/10281084.81解：（1）=（2）=25.2610-12F2022-7-2547例2.电容传感器初始极板间隙d0=1.2mm，电容量为117.1PF,外力作用使极板间隙减少0.03mm。求：（1）这测微仪测得电容量为多少？（2）若原初始电容传感器在外力作用后，引起间隙变化，测得电容量为96PF，则极板间隙变化了多少？变化方向又是如何？PFddC1202.103.011.1171000C)2.11(1.117)1(9601dddCCxmmd216.0)1.117961(2.1（1）Cx=（2）从117.196 间隙增加了 即间隙增加了0.216mm