【教学课件】第四章电容式传感器.ppt

第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,电容式传感器是将被测参数变换成电容量的测量装置。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。,4-1 电容式传感器的工作原理,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,第四章 电容式传感器,两平行极板组成的电容器,当忽略边缘效应时，它的电容量为:,当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,分类示意图,第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,一、变面积型电容传感器,设两矩形极板间覆盖面积为S，当动极板移动X，则面积S发生变化，电容量也改变。,灵敏度：,（主要用来测直线位移、角位移和尺寸等参数）,第四章 电容式传感器,线位移,角位移,单组式,差动式,平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。,可见变面积式电容传感器输出是线性的，灵敏度为一常数。增大初始电容C0可以提高传感器的灵敏度；极板宽度a的大小不影响灵敏度，但不能太 小，否则边缘电场影响增大，非线性将增大；X变化不能太大，否则边缘效应会使传感器 特性产生非线性变化。（因为以上的推导是在忽略边缘效应的情况下进行的）。,第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,二、变介电常数型电容传感器,（主要测量厚度、液位、介值的温度和湿度等）,类型1：,被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电容的改变。,1液体介质介电常数；0空气中介电常数（F/m）；h电极板总长度（m）；r内电极板外径（m）；R外电极板内径（m）；x液面高度（m）。可见，输出电容C与液面高度 x 成线性关系。,液面高度,类型2：,第四章 电容式传感器,当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：,d 运动介质的厚度（m）,可见：若厚度 d 保持不变，介电常数r 改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；若r不变，可做成测厚传感器,三、变极板间距型电容传感器,第四章 电容式传感器,若极板间距减小，则电容将增大C。,第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,时，展开为级数形式,因,，忽略高次项,上式表明，在 条件下，电容的变化与极板间距变化量近似是线性关系。,第四章 电容式传感器,欲提高灵敏度，应减小间隙，但受电容器击 穿电压的限制；非线性随相对位移的增加而增加，为保证一 定的线性度，应限制动极板的相对位移量。为改善非线性，可以采用差动式。,第四章 电容式传感器,动极板上移 1，则C1增大，C2减小，初始电容用C0来表示，则：,差动电容器输出：,忽略高次项：,灵敏度提高一倍，非线性误差减小。,第四章 电容式传感器,4-2 电容式传感器的测量电路,测量线路是电容传感器的一个重要组成部分，其主要作用为：给电极提供一个合适的激励源，以便在形成的电场中实现能量变换；检测出电场能量的变化，形成可供实用的电信号；在可能条件下，实现传感器特性的线性化处理与信号变换。,第四章 电容式传感器,电容传感器等效电路,图中C为传感器电容，RP为低频损耗并联电阻，它包含极板间漏电和介质损耗，Rs为高频、高温、高频激励工作时的串联损耗电阻，它包含导线、极板间和金属支座等损耗电阻；L为电容器及引线电感；CP为寄生电容克服其影响是提高电容传感器实用性能的关键之一。下面专门讨论。可见在实际应用中，特别在高频激励时，尤需要考虑L的存在，会使传感器有效电容改变，从而引起传感器有效灵敏度的改变。在这种情况下，每当改变激励频率或者更换传输电缆时都必须对测量系统重新进行标定。,第四章 电容式传感器,一、交流电桥电路,将电容传感器接入电桥的一个臂，不平衡电桥输出：,为使桥路平衡，在四个桥臂上必须接入两个电容（一个单极电容传感器和一个固定电容，或接入差动电容传感器）。另外两个桥臂接入其他阻抗元件，如：两个电阻、两个电感或是两个电容。当桥臂上接入不同的阻抗元件时，电路的灵敏度不同，一般有0.25、0.5、0.1，输出信号相移有0、90、180。,第四章 电容式传感器,电路的主要特点：必须接成差动形式使用；电桥的交流激励源的幅值和频率 要稳定；要求后续电路输入阻抗无限大。,第四章 电容式传感器,二、差动脉冲宽度调制电路,差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。其基本出发点是构成一个频率稳定的方波发生器，以电容变化来调节占空比，由此引起平均直流分量的变化。,第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,U0平均值为零,U0平均值不为零,设R1=R2,与电容差值成正比,第四章 电容式传感器,三、运算放大器式电路,这种线路的最大特点是从原理上克服单个变间隙电容式传感器的非线性，使输出与输入动极板位移成线性关系。,第四章 电容式传感器,反相放大电路反馈元件是传感器电容CxC是固定电容电源电压u,理想运放,将,代入,输出电压与电容极板间距成线性关系，从原理上保证了变极距型电容传感器的线性。,第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,4-3 影响电容式传感器精度的因素 及提高精度的措施,第四章 电容式传感器,电容传感器的特点,优点:,1、温度稳定性好：自身发热极小，电容值与电极材料无关，有利于选择温度系数低材料。如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金，近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。2、结构简单,适应性强：可以做的非常小巧。能在高温，低温，强辐射，强磁场等恶劣环境中工作。3、动态响应好：可动部分可以做的很轻，很薄，固有频率能做的很高。动态响应好。可测量振动、瞬时压力等。4、可以实现非接触测量,具有平均效应：非接触测量回转工件的偏心、振动等参数时，由于电容具有平均效应，可以减小表面粗糙度对测量的影响。5、耗能低,缺点:,1、输出阻抗高，负载能力差：电容值一般为几十到几百皮法，输出阻抗很大，易受外界的干扰，对绝缘部分的要求较高（几十兆欧以上）。2、寄生电容影响大：由于电容传感器起的初始电容值一般较小，而连接传感器的引线电缆电容（12m导线可达到800pF），电子线路杂散电容以及周围导体的“寄生电容”却较大。这些电容一般是随机变化的，将使仪器工作不稳定，影响测量精度。因此，在设计和制作时要采取必要的有效的措施减小寄生电容的影响。,第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,一、温度对电容式传感器的影响,环境温度的改变将引起电容式变换器各零件几何尺寸的改变，从而导致电容极板间隙或面积发生改变，产生附加电容变化。这一点对于空间隙电容式传感器来说更显重要，因为初始间隙都很小，约几十微米至几百微米之间。温度变化使各零件尺寸变化，可能导致对本来就很小的间隙产生很大的相对变化，从而引起很大的特性温度误差。,第四章 电容式传感器,为减小这种误差 一般尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料。如绝缘材料采用石英、陶瓷等，金属材料选用低膨胀系数的镍铁合金。或极板直接在陶瓷、石英等绝缘材料上蒸镀一层金属膜来代替。采用差动对称结构，并在测量线路中对温度误差加以补偿。,第四章 电容式传感器,温度变化对介质介电常数的影响 使传感器电容改变，带来温度误差。温度对介电常数的影响随介质不同而异。这种温度误差可用后接的测量线路进行一定的补偿，而完全消除是困难的。,第四章 电容式传感器,二、漏电阻的影响（绝缘性能）,电容变换器的容抗都很高，特别是在激励电压频率较低时，在与测量线路配接时，当两极板间总的漏电阻若与容抗相近，就必须考虑分路作用对系统总灵敏度的影响。这主要是采用高质量的绝缘材料及采用合理的结构加以解决。,第四章 电容式传感器,三、边缘效应与寄生参量的影响,1、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。为克服边缘效应，首先应增大初始电容量C0，即增大极板面积，减小极板间隙。在结构上增设等位环来消除边缘效应。,第四章 电容式传感器,原理：等位环安放在上面电极外，且与上电极绝缘组等电位，这样就能使上电极的边缘电力线平直，两极间电场基本均匀。而发散的边缘电场发生在等位环的外周不影响工作。,2、寄生参量,第四章 电容式传感器,一般电容传感器电容值很小，如果激励频率较低，则电容传感器的容抗很大，因此对传感器绝缘电阻要求很高；另一方面，变换器电容极板并联的寄生电容也会带来很大的影响。,.增加原始电容值.注意传感器的接地和屏蔽（右图）.将传感器与电子线路的前置 级装在一个壳体内（集成化）,减小寄生电容的方法,第四章 电容式传感器,在电容传感器与测量线路前置极间采用双层屏蔽电缆。这种接法使传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，从而消除了寄生电容的影响。同时放大器的高输入阻抗又起到阻抗匹配的作用。,.采用“驱动电缆”技术,第四章 电容式传感器,.采用运算放大器法,所谓整体屏蔽是将整个电桥(包括电源、电缆等）统一屏蔽起来，其关键在于正确选取接地点。,u0,与传感器电容相并联的为等效电容CP/（1+A）,.整体屏蔽,四、防止和减小外界干扰,第四章 电容式传感器,注意传感器的接地和屏蔽 增加原始电容值，降低容抗 导线分布合理 尽可能一点接地 尽量采用差动式电容传感器,4-4 电容式传感器的应用,第四章 电容式传感器,一、电容式位移传感器,第四章 电容式传感器,二、电容式加速度传感器,第四章 电容式传感器,这里有两个固定极板，极板中间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向上的直线加速度时，质量块在绝对空间中相对静止，而两个固定电极将相对质量块产生位移，此位移大小正比于被测加速度，使c1，c2中一个增大，一个减小。,三、电容式压力传感器,第四章 电容式传感器,工作原理将测量膜片与电容极板之间的电容差经振荡器振荡、调制解调、放大器放大、电压电流转换成标准信号。,用 途用于气体、液体、蒸气压力的测量,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,第四章 电容式传感器,电容式差压变送器,1高压侧进气口 2低压侧进气口 3过滤片 4空腔 5柔性不锈钢波 纹隔离膜片 6导压硅油 7 凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极 9弹性平膜片 10 腔,电容式差压变送器内部结构,第四章 电容式传感器,各种电容式差压变送器外形,第四章 电容式传感器,法兰,第四章 电容式传感器,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,第四章 电容式传感器,电容差压变送器用于测量液体的液位,投入式水位计,第四章 电容式传感器,总电容C=C1+C2，带材厚度发生变化时，C变化，带材的振动不影响测量精度。,第四章 电容式传感器,四、电容式测厚仪,第四章 电容式传感器,测量电路可装于孔中，减小体积。此类电子秤，对接触面无要求，总误差较小。,五、荷重传感器（电容式电子秤）,第四章 电容式传感器,六、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,第四章 电容式传感器,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。,第四章 电容式传感器,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,第四章 电容式传感器,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,第四章 电容式传感器,七、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，加速度测量范围为数个g，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。,第四章 电容式传感器,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%,第四章 电容式传感器,硅微加工加速度传感器原理,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）,第四章 电容式传感器,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。,第四章 电容式传感器,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,第四章 电容式传感器,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。,第四章 电容式传感器,利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,第四章 电容式传感器,八、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，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。,第四章 电容式传感器,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,第四章 电容式传感器,湿敏电容模块及传感器外形,第四章 电容式传感器,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,第四章 电容式传感器,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,第四章 电容式传感器,九、电容式油量表,机械式油量表：,在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。,第四章 电容式传感器,电容式油量表,当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x 处）。,第四章 电容式传感器,该油量表可用于飞机油箱,第四章 电容式传感器,十、电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。,检测原理：在高频振荡型电容式接近开关中，以高频振荡器（LC振荡器）中的电容作为检测元件，利用被测物体接近该电容时由于电容器的介质发生变化导致电容量C的变化，从而引起振荡器振幅或频率的变化，由传感器的信号调理电路将该变化转换成开关量输出，从而达到检测的目的。,第四章 电容式传感器,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,第四章 电容式传感器,非齐平式接近开关的安装,非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。,第四章 电容式传感器,全密封防水式,远距离式（大量程）,第四章 电容式传感器,电容接近开关的规格,第四章 电容式传感器,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,第四章 电容式传感器,电容式接近开关在液位物位 测量控制中的使用,第四章 电容式传感器,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,第四章 电容式传感器,不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响,第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的，具有电容式传感器的优点的同时，又有多极电容带来的平均效应。,1、测量原理,4-5 容栅式传感器,闭环调幅式测量原理,第四章 电容式传感器,A、B 动尺上两组电极片 P 定尺上一片电极片,2、结构形式,反射式,第四章 电容式传感器,第四章 电容式传感器,透射式,第四章 电容式传感器,数显卡尺,公/英制转换,任意位置置零。深度测杆,公/英制转换,任意位置置零。绝对测量和相对测量相互转换。深度测杆，报警功能,第四章 电容式传感器,数显内径卡尺,高度尺,公/英制转换,任意位置置零。绝对测量和相对测量相互转换。深度测杆，报警功能,公/英制转换,任意位置置零。绝对测量和相对测量相互转换。深度测杆，报警功能,第四章 电容式传感器,