电容式传感器教学PPT.ppt
4.1 电容式传感器的工作原理和结构4.2 电容式传感器的灵敏度及非线性4.3 电容式传感器的测量电路4.4 电容式传感器的应用,第四章 电容式传感器,传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度 等机械量精密测量。目前电容式传感器逐渐应用于压力、压差、液面、成份 含量等方面的测量。,应用实例（电容测深度、角度）,电容式传感器的特点是：电容器容量小(几十几百微法)，输出阻抗高;极板静电引力小,工作所需作用力很小；可动质量小,固有频率高,动态响应特性好；功率小，本身发热影响小；可以进行非接触测量。,概 述,电容式接近开关,电容式压力变送器,电容式差压传感器,各种电容式传感器,硅微压力电容式传感器,电容式传感器典型应用,测量管道液位高度,电容式指纹传感器,4.1 电容传感器工作原理和类型,电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化。,一、电容传感器工作原理1、以平板电容说明：,改变式中S 极板面积，称变面积型电容传感器 极板距离，称变极距型电容传感器 介电常数，称变介质型电容传感器 真空介电常数 相对介电常数 空气介质,2.同心圆筒形电容器,对于同心圆筒形电容器可以变化的参数有：、L、r/R等。,变极距型电容传感器,二、分类：,1、变极距型：,一般测微小的线位移,变面积型电容传感器,2、变面积型：,一般测角位移或较大的线位移,变介质型电容传感器,3、变介质型：,测固体或液体的物位以及介质的湿度、密度,当分母 1 时，用泰勒级数展开,初始电容C0，极距减小 时，电容量相对变化C,4.2 电容传感器输出特性 一、变极距型（）,忽略高次项，电容相对变化量与传感器灵敏度为,变极距型电容传感器灵敏度为 要提高传感器灵敏度 k0 应减小初始极距，但初始极距受电容击穿电压限制，可加云母或塑料膜 非线性误差随相对的位移 的增加而增加,为保证线性度应限制相对位移；起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器适合测小位移；为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。,讨论：,g,0,dg,d0,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。,分析采用差动式结构,当动极板位移d,电容器C1的间隙d1变为d0-d,电容器C2的间隙d2变为d0+d,C1=C0,在d/d01时,则按级数展开:,电容值总的变化量为,电容值相对变化量为,C=C1-C2,如果只考虑线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差近似为,（差动结构的）,差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍；非线性误差减小,结论：,平板电容：当动极板移动X 后，两极板间电容量为,初始电容：,电容的相对变化量,平板变面积型电容传感器灵敏度,变面积式电容传感器灵敏度k0为常数；输出特性为线性关系；适合大位移测量。,结论：,二.变面积型（S）,变介电常数式电容传感器与传感器结构有关，分几种情况：测介质厚度(介质材料，纸张、薄膜厚度）_图a 测位移（介质）_图b 测介电常数（材料、液位)_图c 测温、湿度、容量（粮仓、木材湿度）_图d,三、变介电常数式（）,改变介质（），可作为介电常数的测试仪器。介电常数保持不变（介质不变），S 和 一定，改变介质厚度 d，可作为测厚仪器；,电容与介质参数之间关系为,1、测介质及厚度,2、测介质位移，介质的厚度和材料不变，电容与介质的位置有关,a、b 分别为平板电容的边长,可见,此变换器的电容增量正比于被测位移L。,1：被测介质的介电常数,h：液面高度,H：变换器总高度,d：内筒外径为,D：外筒内径,变换器电容值为,3、测液位,式中：空气介电常数;C0由变换器的基本尺寸 决定的初始电容值,可见,此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。,4.3 测量电路 一.电容传感器的等效电路,电容传感器的等效电路包括:传感器电容 C0；传输线的电感 L0、电阻 R（小）;极板等效漏电阻Rg；A、B两端分布电容 Cp，常常 Cp比 C0还大。低频时 Xc大，L、R可忽略；高频时 Xc 小，L、R不可忽略，工作频率10MHz以上要考虑电缆电感L的影响，这时相当有一 L C串联电路，有一个谐振频率f0，当 f=f0时串联谐振阻抗最小,系统无法工作。,屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场；前级紧靠转换元件装在同一壳体内避免信号长距离传输；驱动电缆技术，连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同，（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压（所以称驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性漏电减小寄生电容的影响。内外屏蔽之间的电容是放大器负载。,驱动电缆技术是一种等电位 屏蔽方法。这一方法可在10m距离不影响传感器性能，保证电容1pF时也能正常工作。提高电容传感器稳定性。,解决的方法:,二、测量电路,由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统如图所示，电容传感器 两个桥臂为差动形式,代入：,1.电桥电路,交流电桥的输出电压为：,将上式带入后，输出电压与位移变化成理想线性关系,极板在中间位置时,动片上移时两电容分别变化为,交流电桥的多种形式,2.二极管双T型电路,UE 高频对称方波电源，D1、D2 二极管，特性相同；C1、C2传感器差动电容；R1、R2 为固定电阻，RL负载。一个周期内RL 上的平值电压为,一个周期内负载 RL 上输出电压URL与电源电压UE幅值、频率 f 有关;与电容的差值(C1-C2)成正比。,工作原理分析 t 0电路接通,C1充电至UC1=E；t=t1 UE负半周,D1截止，D2导通 C2充电至UC2=-E,同时C1通过RL放电；负载上电流：IL=I1（放）+I2（电源）t=t2，UE正半周,D1导通,D2截止 C1充电,C2放电;负载上电流：IL=I1（电源）+I2（放）C1=C2时 IL=IL一个周期内平均值,双T型电路动画,电路原理图,电路组成：A1、A2比较器；FF双稳态触发器；VD1、VD2与电阻组成充放电回路；Uf参考直流电压;双稳态作输出;电容Cx1、Cx2为传感器差动电容。,电路分析：设接通电源时A高、B低，R1对Cx1充电，C点上升到Uf，比较器A1输出极性改变，触发器翻转；A低、B高，使D1导通Cx1放电；同时B点经Cx2充电使A2翻转。,3差动脉冲调宽电路,波形图,C1=C2，UC、UD放电时间相同，输出平均电压U0=0；C1C2，输出平均电压 U00，若 C1C2，输出A、B两点的平均值等于UA、UB之差。双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。输出为两端之差：,低通输出,若 R1=R2输出电压与两个传感器电容的差值成正比,变面积型，输出与两电容的面积差值成正比,变极距型，输出与两电容的极距差值成正比,输出电压与两个充放电回路时间常数的差成正比,前提：K 为理想运放，a为虚地；设开环放大器输入阻抗很高，即 Ii=0 Cx 传感器电容，C0 固定电容，,输入,输出,结论：对于单极板平板电容器传感器，输出电压U0与机械位移成线性关系解决了单电容的非线性关系问题。,4.运算放大器式电路,谐振曲线,调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。,由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。,5调频电路,调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01 m级位移变化量,4.4 电容式传感器的应用举例,工作过程：当两室分别承受低压PL和高压PH时，硅油能将压差传递到测量膜片,当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2；当有差压作用时，测量膜片产生形变：PH PL时，膜片PL向弯曲，C1C2；前极电路将这种电容变化通过电路转换，变为电压或电流的变化,1.电容式压力传感器,工业生产流程自动控制中膜片式压力计是常用的一种，电容膜片压力传感器分两种：计示压力计（表压），以大气为基准，测管道、箱内、罐中压力；绝对压力计，以绝对真空为基准测量蒸发罐、反应罐中的压力；,2.电容板材在线测厚仪,电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。带材是电容的动极板，总电容 C1+C2 作为桥臂。带材只是上下波动时 Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容 Cx 变化。采用变压器式输出电桥电路。或用集成运放电路 输出与带材厚度关系为：,3.力平衡式加速度传感器,原理：先将被测量转换成力或力矩,然后用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。应用：主要应用于超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。,例：在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力平衡系统式加速度传感器，分别测出三个轴向的加速度。通过积分器计算机求出三个轴向的速度和位移，确定运动物体在空间的坐标位置，提供各种反馈控制信号。,结构：M惯性元件、C1、C2位移传感器、磁力矩器、电容动片固定在质量块上。,4.电容传声器原理,PC机上的麦克风是一个电容传声器、主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。,计算机中一般使用的是驻极体电容传声器，它采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜片。,6.硅电容式集成传感器,组成：压力敏感电容器、转换电路和辅助电路三部分，,敏感元件是电容压敏元件，核心部分是敏感电容器。电容器电容量由两个电容极板面积和间距决定，极板间介质为空气，当硅膜片受力变形时电容的变化量C与压力差P大小有关。,硅电容式集成传感器结构,实际硅压力敏感电容传感器的工作原理是在一个硅膜上制作两个圆形电容器，电容尺寸相同，分别为受力电容、参考电容，参考电容不受外力作用，补偿温度影响。当硅膜片两侧有压差存在受力变形时，电容两极间距的变化引起电容量变化。压差与变形量呈线性关系。扩散硅电容器的灵敏度是结构型电容传感器灵敏度的10倍。,从原理上讲硅电容器与传统的结构型压敏传感器没有区别，只是采用集成工艺制作，电容尺寸很小，可与信号处理电路集成在一起。压力敏感的电容器所传感的电容量信号经转换电路转换成电压信号，再由调理电路处理后输出。,6.新型电容式指纹传感器,FPS110 电容式指纹传感器和采集的指纹图象,指纹图象的获取有两类方法，一是使用墨水和纸的传统方法；另一种方法是利用设备取像（又分为光学设备取像、晶体传感器取像和超声波取像。,电容式指纹传感器是由著名的贝尔实验室联合Intel等公司投资几十亿美金，历经数十载才开发出来的，目前在国际晶体指纹传感器市场上占主要份额。,例如FPS110 电容式指纹传感器表面集合了300300个电容器，其外面是绝缘表面，当手指放在上面时，由皮肤组成电容阵列的另一面，电容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是指纹脊（近）和谷（远）相对于另一极之间的距离。通过读取充放电之后的电容差值来获取指纹图像。,FPS110功能结构框图,传感器的生产采用标准CMOS工艺，尺寸大小为1515mm2，分辨率为500DPI（一英寸面积上的像素多少，指扫描精度）。FPS110 提供8位微处理器相连的接口，内置有8位高速A/D转换器，可直接输出8位灰度图像。芯片功耗小于200mW，价格在600元（人民币）下。,本章要点,1.如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？2.说明变介电常数型电容式传感器测量液位的结构原理和 测量方法。3.差动式电容传感器测厚系统的工作原理。4.硅电容式集成传感器结构特征与工作原理。5.差动脉冲宽度调制电路用于电容传感器测量电路具有什 么特点？6.电容板材在线测厚系统中，如何通过检测电容大小实现 只对厚度变化响应，并保证板材的上下波动时不影响厚 度测量？,4.5.已知一平板式电容位移传感器：极板间介质为空气，极板尺寸a=b=4mm，极板间隙0=0.5mm。求:传感器静态灵敏度。若极板沿a方向移动=2mm时电容量是多少？,课堂作业,4.7二极管双 T 型电路和压差传感器结构如下图所示，已知电源电压 UE=10V，频率 f=1MHz，R1=R2=40 k,压差电容 C1=C2=10pF,RL=20 k。试分析，当压力传感器有压差PHPL，使电容变化 C=1pF时，一个周期内负载电阻上产生的输出电压URL大小与方向(并用箭头表示）。,解：当,时，,由于,，电压UE的负半周占优势，故,的方向下正上负。,
