传感器03电容式传感器

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1、传感器原理及应用,2013年4月25日,Principles and Applications of Transducer,机械与汽车工程学院 主 讲：黄海鸿 电 邮：allenhuanghaihong 地 址：机械楼417室,1,课前思考,设计一种带有传感器的机械运动机构？ 例如：激光雷达三维扫描转台,人工路标,一帧测量数据,二维 激光雷达,2,课前思考,设计一种带有传感器的机械运动机构？ 例如：激光雷达三维扫描转台,现有转动机构(www.3d-),3,课前思考,设计一种带有传感器的机械运动机构？ 例如：激光雷达三维扫描转台,Pioneer Robot,4,课前思考,激光雷达三维扫描转台（改

2、进方案）,激光雷达俯仰角范围：30+30,5,课前思考,激光雷达的二维环境地图建立,栅格地图（Grid Map）,Google Earth地图（参照）,6,课前思考,激光雷达三维扫描的用途,7,第三章 电容式传感器,第一节 电容式传感器基础知识 第二节 电容式传感器的应用,原理：以电容器为敏感元件，将被测非电量（例如：机械位移量）的变化转换为电容量变化 用途：结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作,8,3.1 电容式传感器基础知识,电容 电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量。 我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。一个电容器

3、，如果带1库仑的电量时两级间的电势差是1伏，则电容器的电容就是1法。 电容的单位是法拉 1法拉(F)= 1000毫法(mF)1000000微法(F) 1微法(F)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF),9,3.1 电容式传感器基础知识,工作原理 平板电容器是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成。 电容C用于描述电荷Q与电容器（电导体）之间电压差V的关系： C = Q / V 当忽略边缘效应时，电容C与真空介电常数0、极板间介质的相对介电常数r、极板有效（正对）面积S以及两极板间的距离d有关：,为介质介电常数,d,V,0,0 8.85 pF/m,10,3.1 电容式传感器基础知识,

4、若被测量的变化使式中、S、d这三个参量中任意一个值发生变化，都会引起电容量C的变化，再通过测量电路转换为电量输出。 电容式传感器的三种类型 变面积（S）型 变介质介电常数（）型，简称变介质型 变极板间距（d）型，为非线性关系,11,3.1.1 变面积型电容式传感器,直线位移式 角位移式 圆柱体线位移式 齿型极板型,12,12,3.1.1 变面积型电容式传感器,13,3.1.1 变面积型电容式传感器,直线位移式 当动极板移动x后，覆盖面积发生变化，电容量C随之改变，电容因位移而产生的变化量为:,灵敏度为：,如何提高该传感器的灵敏度？,介质介电常数,14,3.1.1 变面积型电容式传感器,角位移式

5、 当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积发生变化，从而导致电容量C的变化，此时电容值为:,动片,静片,式中，C0为初始（即无角位移时）电容,电容C与角位移之间为线性关系！,15,3.1.1 变面积型电容式传感器,圆柱体线位移式 由两个同心圆柱形电极组成 齿型极板型 极板采用锯齿板，其目的是为了增加覆盖面积，提高灵敏度,16,3.1.2 变介质型电容式传感器,用途 测量电介质的厚度、液位，例如：测量片状材料（纸张、绝缘薄膜等）的厚度，检测容器中液面高度 根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等，可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度,17,表 电介质

6、材料的相对介电常数,提问：纸湿了以后，电容如何变化？,18,3.1.2 变介质型电容式传感器,根据电介质插入电容器中的深度不同，相应改变两种介质的极板覆盖面积,将传感器主动插入某种电介质中,C1,C,C2,19,3.1.2 变介质型电容式传感器,圆筒式液位传感器,C1,C,C2,可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系！,同心圆柱状电极,式中，,20,例 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当用在储存灌内传感器的灵敏度 (pF/L),解：,21,3.1.

7、2 变介质型电容式传感器,固体厚度不变、介质常数发生变化，会引起电容C变化，可测固体材料的温度、湿度等 如果待测体介电常数已知，可作为测厚仪,平板型变介质型电容传感器,x,式中，a, b为平行板的长度、宽度。,22,3.1.3 变极板间距型电容式传感器,当可动极板 (简称动片)随被测量变化而与固定极板发生相对移动时，两极板间距d0变化，使电容量C产生变化。电容量的变化量C与极板间距变化量（动极板的位移量）d的关系：,改善线性度的措施：采用差动式电容式传感器！,?,d0多大合适？ K? 误差？,23,3.1.3 差动式电容式传感器,动极板置于两定极板之间，输出为两电容量之差（两电容初始值相等）,

8、解决效果： 1 灵敏度提高一倍，约为:2/d0； 2 线性度提高，相对非线性误差（电容相对变化量中，非线性项与线性项分量的比值）减小， = (d/d0)2*100%; 3 可以补偿温度误差。,24,3.1.3 差动式电容式传感器,动极板置于两定极板之间，输出为两电容量之差（两电容初始值相等）,构思一种差动结构？,25,图3-11 基于有效极板面积变化的差动电容器,差动的其它形式（面积型）,3.1.3 差动式电容式传感器,26,3.2 电容式传感器的应用,电容式传感器的优点 温度稳定性好 电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。 结构简单 非常小巧

9、，易于制造，易于保证高的精度。 能工作在高温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中。能承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。,27,3.2 电容式传感器的应用,电容式传感器的优点 动态响应好 由于可动极板可以做得很小很薄，质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。系统工作频率高，它可用于测量高速变化的参数。 可以非接触测量 例如：非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，具有误差平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。,28,3.2 电容式传感器的应用,电

10、容式传感器的缺点 输出阻抗高，负载能力差 电容量受其电极的几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象。 寄生电容影响大 初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（12m导线可达800pF）、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的电容等所谓“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（如电缆电容）常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。,29,电容传感器电容值一般十分微小(几皮法至几十皮法)，而电容变化量在1PF以下，这样微小的电容不便直接显示、记录，更不便于传输。为此，

11、必须借助于测量电路检测出这一微小的电容变量，并转换为与其成正比的电压、电流或频率信号。 目前常用的典型线路： 交流电桥 差动脉冲宽度调制电路 运算放大器测量电路,了解：测量电路,30,传感器的等效电路,L 包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感； RC 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，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大。 * 供电电源频率必须低于谐振频率；一般为谐振频率的1/3-1/2，才能正常工作； * 测量时应与标定时所处的条件相同，电缆长度不能改变，供电电

12、源频率不能改变。,此电路的谐振频率？,了解：测量电路,31,交流不平衡电桥原理图,1、交流电桥,了解：测量电路,32,普通交流电桥测量电路,这种交流电桥测量电路要求提供幅度和频率很稳定的交流电源，并要求电桥放大器的输入阻抗Zi很高。为了改善电路的动态响应特性，一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的510倍。,了解：测量电路,33,图3-15 电容传感器常用交流电桥形式,* 图c的灵敏度是图a/b的一倍；图d的差动接法使其灵敏度是图c的一倍！,了解：测量电路,34,2、差动脉冲宽度调制电路,差动脉冲宽度调制电路,比较器,参考电压,了解：测量电路,35,各点电压波形图,了解：测量电路,36,3

13、、运算放大器测量电路,图3-19 运算放大器测量电路,由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi 很高, 运算放大器的这一特点可以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：,解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题!,了解：测量电路,37,减小环境温度、湿度对测量的影响 温度误差主要是由于构成传感器的材料不同，有不同的温度膨胀系数。当环境温度变化时，传感器各零件形状、尺寸发生变化，从而引起电容量变化。 消减边缘效应 消减寄生电容的影响,了解：电容传感器的设计要点,38,消减边缘效应,边缘效应的影响相当于传感器并联一个附加电容，引起传感器的灵敏度下降和非线性增

14、加。- 增加初始电容量 / 加装等位环。 图3-20示出了如何在不改变几何关系的情况下减小边缘效应。该方法利用与某个恒定电压相连的保护环，使电力线仍然被限制在由检测电极所决定的体积内。由有限间隙宽度w引起的电容修正取决于 w/d（d是电极距离）和电极厚度。,图3-20 加等位环消除边缘效应,理想情况：平板电容的电场均匀分布于两极板所围成的空间。,39,消减寄生电容的影响,增加初始电容值 采取“驱动电缆技术”，又叫“双层屏蔽等电位传输”。,传感器除有极板间电容外，极板与周围物体（各种元件甚至人体）也产生电容联系，这种电容称为寄生电容。,40,“驱动电缆技术”,基本原理：使用电缆屏蔽层电位跟踪与电

15、缆相连接的传感器电容极板电位。要求二电位的幅值和相位均相同，从而消除电缆分布电容的影响。,图3-21 驱动电缆线路原理图,41,3.2 电容式传感器的应用,变面积型角位移传感器 采用差动式结构，转轴旋转使动片转动，从而改变活动电极与两个固定电极（定片）之间的覆盖面积，使电容发生变化。,42,3.2 电容式传感器的应用,变面积型位移传感器 采用差动式结构、圆柱形电极，与测杆相连的动电极随被测位移而轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的覆盖面积，使电容发生变化。为接触式测量。,1-测杆； 2-开槽簧片； 3-固定电极； 4-活动电极。,43,3.2 电容式传感器的应用,44,45,电容式液

16、位限位传感器,液位限位传感器与液位计的区别在于：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。,46,46,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,47,3.2 电容式传感器的应用,位移传感器,测量振动,测量回转精度,48,3.2 电容式传感器的应用,位移传感器,Capacitive Displacement Measurement 德国米依公司的非接触式电容式位移传感器 capaNCDT 610,49,3.2 电容式传感器的应用,应用领域： capaNCDT610是为机器设备监控，工业过程质量监控而设计的。主要参数: 1，震动，偏心，裂纹，振荡，同心度 2，位移，移动，位置，膨胀 3，挠度，变形，波动，倾斜