5电容式传感器

null第五章： 电容式传感器第五章： 电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作，这是它独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。电容传感器1 基本原理与结构类型1 基本原理与结构类型一、基本原理平行平面型电容S—两个极板相互覆盖的面积 d—两个极板间的距离 e — 板间介质的介电常数null平行曲面型电容null当极板间有多层介质时：d1,d2,….分别是各层的厚度 e1, e2, ….是各层的介电常数null二、结构类型按改变的参数： 变极距、变面积、变介质 按被测位移量： 线位移、角位移 按组成的方式： 单一式、差动式 按极板的形状：平行平面型、平行曲面型输出特性输出特性一、变极距型电容传感器 1.空气介质变极距型（a单一式） dCnull近似线性null电容与极板的关系C＝f（d） 不是线性关系一般的变极板间距传感器中 c＝20～100pf d＝25～200um △d＝2～10um 主要应用于微位移的测量图1-2-6null空气介质变极距型（b差动式）ddc1c2xnull移动后两极板的电容分别为：nullnull2.双层介质变极距型（加云母或塑料膜以防电压的击穿）εr－固体介质的相对介电常数图1-2-7null2.双层介质变极距型（加云母或塑料膜以防电压的击穿）εr－固体介质的相对介电常数图1-2-7n——灵敏度因子 & 非线性因子二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器 1.线位移式变面积型 初始时：移动后：相对变化：灵敏度：定极板动极板图1-2-8输出特性 为线性例题例题已知变面积型电容器的两极板间距离为d=10mm，ε=50μF/m，两极板几何尺寸一样，为l0=30mm，b=20mm，在外力的作用下，其中动极板在原位置上向外移动了Δl=10mm，试求ΔC=?,K=?首先由：null2. 角位移式变面积型（差动结构）null2. 角位移式变面积型（差动结构）null初始时：d为极间距离，动极板转动Δα后则：null柱面板变面积型null初始时：d为极间距离，动极板转动Δα后则：同理：null三、变介质型电容传感器 测位移, 湿度,厚度… 线位移式变介质差动结构初始时：：null 一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位高低的结构原理图。 设被测介质的介电常数为ε1, 液面高度为h, 变换器总高度为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变换器电容值为 null变介质型电容传感器有较多的结构型式, 可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度, 也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质的湿度。null几种介质的相对介电常数null四、等效电路分析： Rp极板间泄漏电阻与介质损耗RS 引线电阻（高频） L 电容器本身和外部引线电感（高频）null有效电容∴电容的实际相对变化量：※电容传感器工作与标定条件相同※五、电容式传感器的测量电路五、电容式传感器的测量电路电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小, 这样微小的电容量还不能直接为目前的显示仪表所显示, 也很难为记录仪所接受, 不便于传输。 电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。调频测量电路调频测量电路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。null调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度, 可以测至0.01 μm级位移变化量。频率输出易于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。运算放大器式电路运算放大器式电路null运算放大器的放大倍数K非常大, 而且输入阻抗Zi很高。运算放大器的这一特点可以使其作为电容式传感器的比较理想的测量电路。 如果传感器是一只平板电容, 则Cx =εA/d, 则有运算放大器的输出电压与极板间距离 d 呈线性关系二极管双T型交流电桥二极管双T型交流电桥差动电容传感器高频电源(对称方波)R1 = R2 = RVD1、VD2 特性相同当e为正半周时, 二极管VD1导通、VD2截止当e为正半周时, 二极管VD1导通、VD2截止当e为负半周时, 二极管VD2导通、VD1截止当e为负半周时, 二极管VD2导通、VD1截止其输出在一个周期内的平均值为其输出在一个周期内的平均值为电路的灵敏度与电源幅值和频率有关，输出与T型网络中的电容C1和C2的差值有关。脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路null高电位通过R1对C1充电, 时间常数为τ1 = R1 C1, 高电位通过R2对C2充电, 时间常数为τ2=R2C2 当差动电容器的C1 = C2时, 其平均电压值为零。null当差动电容C1 ≠ C2, 且C1 > C2时, τ1 = R1 C1>τ2 = R2 C2 由于充放电时间常数变化, 使电路中各点电压波形产生相应改变。   此时uA、uB脉冲宽度不再相等, 一个周期（T1+T2）时间内其平均电压值不为零。此uAB电压经低通滤波器滤波后, 可获得输出null 当差动电容C1 = C2 = C0, 即d1 = d2 = d0时, uAB = 0; 若C1≠ C2, 设C1 > C2, 即d1 =d0 -Δd, d2 = d0+Δd, 则 把平行板电容的公式代入, 在变极板距离的情况下可得 电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A 和极间介电常数ε。固定其中两个变量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。 电容器的容量受三个因素影响，即：极距x、相对面积A 和极间介电常数ε。固定其中两个变量，电容量C 就是另一个变量的一元函数。只要想办法将被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。 六、应用null1.电容压力传感器 当压力P1、P2变化时，膜片3-和金属层2组成差动电容发生变化，且与压差△p＝P1-P2成正比。 null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nullnull法兰nullnull2.电容转速传感器1-齿轮 2-定极板 3-电容传感器 4-频率计 电容传感器产生周期电信号，经测量电路转换成脉冲信号，用频率计显示齿轮转速。null 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2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压或输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。3.硅微加工加速度传感器硅微加工加速度传感器原理 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） 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 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ΔC 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。 利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。 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ΔC 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。微加工三轴加速度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， 线性误差：≤1% null 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null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 。 利用加速度传感器实现 延时起爆的钻地炸弹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null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。4.电容式油量表 电容式油量表电容式油量表 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）。 该油量表属于开环系统还是闭环系统？null 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。 5.电容式接近开关 电容接近开关外形电容接近开关外形齐平式非齐平式全密封防水式全密封防水式远距离式（大量程）电容接近开关的规格电容接近开关的规格电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在液位测量控制中的使用电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示null 测定电极安装在罐的顶部,这样在罐壁和测定电极之间就形成了一个电容器。 当罐内放入被测物料时, 由于被测物料介电常数的影响, 传感器的电容量将发生变化, 电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关, 且成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。 6.电容式料位传感器null传感器的静电电容可由下式表示:式中: k——比例常数;  εs——被测物料的相对介电常数; ε0——空气的相对介电常数;  假定罐内没有物料时的传感器静电电容为C0, 放入物料后传感器静电电容为C1, 则两者电容差为  ΔC = C1 - C0  由上式可见, 两种介质常数差别越大, 极径D与d相差愈小, 传感器灵敏度就愈高。 D——储罐的内径;  d——测定电极的直径;  h——被测物料的高度。null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null比较三种类型电容传感器用于测量位移时的量程、灵敏度、线性度。 1）空气介质变极距型 量程：适用于微位移的测量 灵敏度: 线性度：非线性本节小结：null2)变面积型电容传感器 量程：适用于测量较大的直线位移 灵敏度:： 线性度：线性3)变介质型电容传感器 量程：适应于测量微位移、湿度、厚度… 线性度：非线性作业1作业1线位移变面积型电容式传感器图所示，其中(a)为单电容线位移传感器，(b)为双电容线位移传感器，工作时C1与C2并联且C1+C2=C0 。 1. 求(a)的传感器灵敏度。 2. 求(b)的传感器灵敏度。 3. 证明在极板间距不能保持精确不变的情况下，(b)结构可以减小这种影响。 4. 测量电路，求输出电压与测量值相关性关系。 作业2作业2P99页 5-4、5-5 注：同前几次作业（P26页 1-10 、1-11 、1-13,P60页 3-5、3-6、3-7,P84页 4-5、4-7、4-8） 于下周做实验前提交（不准用几页纸片写）。null结束