传感检测技术及其应用-第6章课件.ppt

1、2022-12-42022-12-42w 掌握电容式传感器工作原理掌握电容式传感器工作原理。w 了解电容式传感器主要类型及各自的主要特点。了解电容式传感器主要类型及各自的主要特点。w 了解解电容式传感器的测量电路和主要应用。了解解电容式传感器的测量电路和主要应用。2022-12-43 将被测量的非电量转换为自身电容的一种传感器。将被测量的非电量转换为自身电容的一种传感器。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:dAdAC 0 当被测量当被测量d、A或或发生变化时，都会引起电容的变发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参化。如果

2、保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。6.1 6.1 电容式传感器工作原理电容式传感器工作原理 式中 真空介电常数，8.8510-12（F/m）；极板间介质的相介电常数；极板相互遮盖的面积(m2)；d 极板距离(m);介质的相对介电常数。r 2022-12-441.1.空气介质极距变化型空气介质极距变化型 极距变化型电容式传感器的结构极距变化型电容式传感器的结构原理见下图。根据式原理见下图。根据式 6.2 6.2 电容式传感器的类型电容式传感器的类型 一、一、极距变化型极距变化型AC0当极板间距当极板

3、间距 减小减小 d d时，电容为：时，电容为：000011ddCddAC 电容增量为：电容增量为：0000000/1/1/ddddCddddCCCC 2022-12-45当当 d d/d/d0 011时，忽略非线性项，有：时，忽略非线性项，有：00ddCC 10001 ddddCC电容相对变化量电容相对变化量当极板间距当极板间距 增大增大 d d时，时，电容相对变化量电容相对变化量10001 ddddCC灵敏度灵敏度20000dAdCdCk 相对非线性误差相对非线性误差%100%100)1(0302000010 ddddddddCCddCef2022-12-46 实际中，为了提高灵实际中，为了

4、提高灵敏度等常采用差动形式。敏度等常采用差动形式。30200011ddddddCC 30200021ddddddCC 4020012ddddddCC2022-12-47ddCC 2dCdCk02%1002230705030 ddddddddef则有则有灵敏度灵敏度非线性相对误差非线性相对误差2022-12-482 2、加固体介质的极距变化型电容传感器加固体介质的极距变化型电容传感器 减小间隙能提高灵敏度，但又易击穿，为此，经减小间隙能提高灵敏度，但又易击穿，为此，经常在两极片间加一层介电常数值高一些的介电物常在两极片间加一层介电常数值高一些的介电物质，如云母、塑料膜等。质，如云母、塑料膜等。2

5、21021111 ddACCC 22110)(dddAC 21212211111,ddddNdddNCC其中其中211ddNCdCk 灵灵敏敏度度为为：2022-12-49二、二、面积变化型面积变化型包括线位移型（平面线位移和圆柱体线位移）和角包括线位移型（平面线位移和圆柱体线位移）和角位移型两种。位移型两种。2022-12-410线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种。移型两种。1.1.平面线位移型平面线位移型 aCxCkaxCCaxCCaxCdbxadACXx0000)1()(相对变化相对变化灵敏度灵敏度2022-12-411drC

6、22 灵敏度为 2.2.角位移型角位移型 0CCdrCCk220 电容电容变化量变化量灵敏度灵敏度3.3.圆柱形线位移型圆柱形线位移型起始电容为起始电容为dDlCln55.00 2022-12-412。内外圆筒间介电常数内外圆筒间介电常数内圆筒的外经；内圆筒的外经；外圆筒的内经；外圆筒的内经；圆筒的高度；圆筒的高度；式中式中 dDl当有位移当有位移x x时时lxCCCCdDxlCxx 00 ln)(55.0 电电容容变变化化量量为为 2022-12-413)/ln(55.0 0dDlxxC klxCC 灵灵敏敏度度电电容容的的相相对对变变化化量量构成差动筒型电容传感器时构成差动筒型电容传感器时

7、lCxCklxCC002,2 2022-12-414三、三、介质变化型介质变化型 这种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、这种传感器大多用于测量电介质的厚度、位移、液位等。液位等。2022-12-415CACB12xl2 如右图，厚度为如右图，厚度为 2 2 的介质（的介质（2 2 为为 其介电其介电常数）在电容器中左右常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电质的介电常数改变，电容量改变。容量改变。设电容器极设电容器极板宽度为板宽度为b b，介质，介质 2 2的的宽度大于等于宽度大于等于b b。2022-12-41610blC 2121ACCCCC 2

8、2112212bx)(bx lxCCxlbCB001)(当极板间无介质当极板间无介质 2 2时，时，存在介质时，存在介质时，C C=C CA A+C CB B（并联）（并联）其中：其中：1 1=-2 2 212121001 lxCCC从而：从而：2022-12-41721212101 lCdxdCS显然，灵敏度为常数，输入输出成线性关系。显然，灵敏度为常数，输入输出成线性关系。灵敏度灵敏度2022-12-4186.3 6.3 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 一、一、普通交流电桥普通交流电桥初始初始bcCC 0bbccCjZCjZ 1,1 其中其中ibccbibcbcoUCCCCU

9、ZZZZU)(2)(2 二、二、变压器电桥变压器电桥2022-12-41921212CCCCUiUsc 当当C C1 1，C C2 2为差动电容传感器的电容时为差动电容传感器的电容时CCCCCC 0201,，则有，则有02CCUiUsc 也可以用右也可以用右边的电桥边的电桥uiUi/2 Ui/2 C1 C2 放大相敏 检波滤波2022-12-420三、三、调频电路调频电路)(210CCLfx )(210CCCLffxx 2022-12-421四、四、运算放大器电路运算放大器电路xiscCCUU0 五、五、电容式传感器特点电容式传感器特点1.1.功率小、阻抗高；功率小、阻抗高；2.2.静电力小、

10、动态特性好；静电力小、动态特性好；3.3.本身发热量小；本身发热量小；4.4.结构简单；结构简单；5.5.初始电容小，分布电容、寄生电容影响大。初始电容小，分布电容、寄生电容影响大。2022-12-4226.4 6.4 电容式传感器误差分析、补偿及应用电容式传感器误差分析、补偿及应用一、一、误差分析和补偿误差分析和补偿1.1.减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘性。缘性。2.2.消除和减小边缘效应。消除和减小边缘效应。2022-12-4233.3.消除和减小寄生电容的影响消除和减小寄生电容的影响 增加原始电容值可减小寄生电容的影响。增加原始

11、电容值可减小寄生电容的影响。注意传感器的接地和屏蔽。注意传感器的接地和屏蔽。尽量采用差动式电容传感器，可减小非线性误差，尽量采用差动式电容传感器，可减小非线性误差，提高灵敏度，减小寄生电容的影响以及减小干扰。提高灵敏度，减小寄生电容的影响以及减小干扰。二、二、电容式传感器应用电容式传感器应用1.1.电容式压力传感器电容式压力传感器2022-12-4242.2.电容式位移传感器电容式位移传感器3.3.电容式加速度传感器电容式加速度传感器(1)(1)传统电容加速度传感器传统电容加速度传感器2022-12-425（2 2）MEMSMEMS电容式加速度传感器电容式加速度传感器2022-12-42620

12、22-12-4272022-12-4283.3.电容式液位传感器电容式液位传感器2022-12-429三、三、电容传感器应用示例电容传感器应用示例例例1 1.有一变极间距离的差动电容传感器，其结构如有一变极间距离的差动电容传感器，其结构如图图6 62020所示，选用变压器交流电桥作为测量电路。所示，选用变压器交流电桥作为测量电路。差动电容器参数：差动电容器参数：r=12mm,d1=d2=d0=0.6mm,r=12mm,d1=d2=d0=0.6mm,空气介电空气介电常数常数0 08.858.851010-12-12F/mF/m；测量电路参数：；测量电路参数：UsrUsr=3sint(V).=3s

13、int(V).试求动极板上输入位移（设向上位移）试求动极板上输入位移（设向上位移）x x0.05mm0.05mm时，电桥输出端电压时，电桥输出端电压U Uscsc?解解：起始时起始时C C1 1=C=C2 2=C=C0 0)(67.66.01210/1085.8 223120200pFmmmmmmFdrdAC 2022-12-430因因xdxd0 0,则则1216.005.000 dxCC由变压器交流电桥，可得由变压器交流电桥，可得uuZZZuCCCsc 2212)(1 )(1 ,2010212121CCjZCCjZCCZZCCCC 的容抗的容抗为电容为电容式中式中代入代入u uscsc,在条

14、件在条件C1=C1=C2=C2=C C下化简有下化简有(V)sin1230tuCCusc 2022-12-431加入相敏检波和滤波电路后的电路为加入相敏检波和滤波电路后的电路为例例2.2.电容式汽车油箱油位计电容式汽车油箱油位计2022-12-432（1 1）油位传感器的结构油位传感器的结构设陶瓷管的外径为设陶瓷管的外径为R R，内径为，内径为r r，两电极端面的初始角，两电极端面的初始角为为220 0，并设电极厂为，并设电极厂为H H，陶瓷管和空气的复合介电常，陶瓷管和空气的复合介电常数为数为,则有则有ddsdc 0无油时的初始电容无油时的初始电容C C0 02lnsin200000000

15、ctgHRHRddcC 复合介电常数复合介电常数202101 VVVV 2022-12-433当传感器浸入油面的深度为当传感器浸入油面的深度为h h时，传感器的电容为时，传感器的电容为BhActghRrHRrHRrCS 2ln)()1(002322222122 因此，传感器的结构确定后，其电容与浸入油面的因此，传感器的结构确定后，其电容与浸入油面的深度深度h成线性关系。成线性关系。（2 2）测量电路测量电路2ln)1(00222122 ctgHRrHRrA 2ln)(002322 ctgRrB 其中其中2022-12-4342022-12-435 一个周期一个周期输出变低输出变低翻转为高电平翻

16、转为高电平升为高电平升为高电平迅速放电迅速放电导通导通由高变低由高变低翻转翻转为高。为高。反向反向经经由高变低由高变低先翻转先翻转首先首先电平按指数减小电平按指数减小充电充电对对通过通过电源接通电源接通31212122231112121,.2 .1,VTCPVVCCVTVTVCPVVVVTVCPVVVVCCRRrSOrefOOrefrSC CS S略小于略小于C Cr r,且且R R1 1=R=R2 2当电源接通时（当电源接通时（t=0t=0），），V1V1为高电平（为高电平（V VCCCC），），V V1 1然后逐渐降低然后逐渐降低SCRtCCeVtV1)(1 当当srefTttVtV 11

17、)(时，时，2022-12-436则有则有,11refCRtCCVeVS kCRTtssln11 同理有同理有kCRTttrrln221 refCCVVk 式中式中CCrsCCOVCCVtttV)1(212 将将C CS S=A+Bh=A+Bh代入上式代入上式CCrCCOVCBhAVtttV)1(212 该电路实现了油位的线性变换。该电路实现了油位的线性变换。2022-12-437思考题思考题1.1.根据电容式传感器工作原理，可将其分为几类？根据电容式传感器工作原理，可将其分为几类？每种类型各有什么特点？可用于什么场合？每种类型各有什么特点？可用于什么场合？2.2.如何改善单极式变极距型电容传

18、感器的非线性？如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？3.3.下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于液下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于液位高低测量的原理图。设被测介质的介电常数为位高低测量的原理图。设被测介质的介电常数为1 1，液面高度为，液面高度为h h，变换器总高度为，变换器总高度为H H。内筒外径为。内筒外径为d d，外筒内径为外筒内径为D D，空气介电常数为，空气介电常数为，推导电容器的电，推导电容器的电容容C与没有液体的电容与没有液体的电容C0及液面高度的关系式，变换及液面高度的关系式，变换器的灵敏度。器的灵敏度。2022-12-4384图图.电容式液位变换器原理图电容式液位变换器原理图5.5.认真领会掌握普通交流电桥、变压器电桥及运算认真领会掌握普通交流电桥、变压器电桥及运算放大器式测量电路。放大器式测量电路。