传感器3章电容

《传感器3章电容》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器3章电容（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2014,第3章 电容式传感器,电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉等优点。因此，可以用来测量压力、力、位移、振动、液位等参数。但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限。随着电子技术的不断发展，特别是集成电路的广泛应用，这些缺点也得到了一定的克服，进一步促进了电容式传感器的广泛应用。,2014,第3章 电容式传感器,3.1 电容式传感器的基本原理及性能特点,由式可以看出， ，A，d三个参数都直接影响着电容量C的大小。如果保持其中两个参数不变，而使另外一个参数改变，则电容量就将发生变

2、化。如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系，那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来。所以电容式传感器可以分为三种类型：改变极板面积的变面积式；改变极板距离的变间隙式；改变介电常数的变介电常数式。,工作原理可以用图3.1.1所示的平板电容器来说明。设两极板相互覆盖的有效面积为A（m2），两极板间的距离为d（m），极板间介质的介电常数为 （Fm-1），在忽略板极边缘影响的条件下，平板电容器的电容量C（F）为,C= A/d,2014,3.1.1 变面积式电容传感器,图3.1.2是一直线位移型电容式传感器的示意图。 当动极板移动x后，覆盖面积就发生变化，电容量也随之改变，其值为 电容因位移

3、而产生的变化量为 其灵敏度为 可见增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度。 图3.1.3是此类传感器的几种派生形式。图是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为,2014,图3.1.3b中极板采用了锯齿板，其目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏度。当齿板极板的齿数为n，移动x后，其电容量为 其灵敏度为 由前面的分析可得出结论，变面积式电容传感器的灵敏度为常数，即输出与输入呈线性关系。,3.1.2 变间隙式电容传感器,图3.1.4为变间隙式电容传感器的原理图。图中1为固定极板，2为与被测对象相连的活动极板。当活动极板因被测参数的改变而引起

4、移动时，两极板间的距离d发生变化，从而改变了两极板之间的电容量C。,设极板面积为A，其静态电容量为 ，当活动极板 移动x后，其电容量为,当xd时,只有当 xd时，可认为是近似线形关系。要提高灵敏度，应减小起始间隙d。当d过小时，容易引起击穿，加工精度要求也高了。一般在极板间放置云母、塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况。在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性，可采用差动式结构。,2014,3.1.3 变介电常数式电容传感器,当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数变化，从而引起了电容量发生变化。此类传感器的结构形式有很多种，图3.1.5为介质面积变化的电容式传感器。这种传感器可用来测量物

5、位或液位，也可测量位移。 由图看出，此时传感器的电容量为 ；其中： 设极板间无2介质时的电容量为： ；当2介质插入两极板间则有：,电容量C与位移x呈线性关系,2014,3.2 电容传感器输出特性,设 1，可以忽略高次项，得到近似的线性关系为：,变极距式电容传感器的灵敏度为： （常数），若取一、二次项得到：,传感器的相对非线性误差（线性度）为：,在实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构，如右图所示。若极距发生变化，则有,差动平板式电容传感器结构,除变极距型电容传感器外，其它两种电容传感器的输入量与输出电容量之间均为线性关系，故本节只讨论变极距型平板电容传感器的输出特性（线性

6、度和灵敏度）。 电容的相对变化量为： 按极数展开得,2014,电容相对变化量为：,略去高次项，则得灵敏度为：,非线性误差为：,由上分析可知，电容式传感器做成差动式结构之后，其非线性大大减小，而其灵敏度提高了一倍。同时，差动式传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效改善因温度等环境影响所造成的误差。,3.3 电容传感器的等效电路（略）,2014,3.4 电容式传感器的常用测量电路,用于电容式传感器的测量电路很多,常见的电路有:普通交流电桥、紧耦合电感臂电桥、变压器电桥、双T电桥电路、运算放大器测量电路、脉冲调制电路、调频电路。在此主要介绍后四种电路。,1 双T型电桥电路,电路如图3.2.

7、1所示。图中C1、C2为差动电容式传感器的电容，对于单电容工作的情况时，可以使其中一个为固定电容，另一个为传感器电容。RL为负载电阻，V1、V2为理想二极管，R1、R2为固定电阻。,电路的工作原理如下：当电源电压U为正半周时，V1导通，V2截止，于是C1充电；当电源负半周时，V1截止，V2导通，这时电容C2充电，而电容C1则放电。电容C1的放电回路由图中可以看出，一路通过R1、RL，另一路通过R1、R2、V2，这时流过RL的电流为i1。到了下一个正半周，V1导通，V2截止，C1又被充电，而C2则要放电。放电回路一路通过RL、R2，另一路通过V1、R1、R2，这时流过RL的电流为i2。,2014

8、,双T电桥电路具有以下特点： I. 信号源、负载、传感器电容和平衡电容有一个公共的接地点。II. 二极管V1和V2工作在伏安特性的线性段。III. 输出电压较高。IV. 电路的灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定。V. 可以用作动态测量。当电源电压确定后, 输出电压Uo是电容C1和C2的函数。,如果选择特性相同的二极管，用R1=R2，C1=C2，则流过RL的电流i1和i2的平均值大小相等，方向相反，在一个周期内渡过负载电阻RL的平均电流为零，RL上无电压输出。若C1或C2变化时，在负载电阻RL上产生的平均电流将不为零，因而有信号输出。此时输出电压值为,2014,2 运算放大器式测量电路,

9、电路图如图3.2.2所示。电容式传感器跨接在高增益运算放大器的输入端与输出端之间。运算放大器的输入阻抗很高，因此可认为它是一个理想运算放大器，其输出电压为 以 代入上式，则有 上式中，u0为运算放大器输出电压；ui为信号源电压；Cx为传感器容量；C0为固定电容器。可以看出，输出电压u0与动极片机械位移d成线性关系。,3.2.2运算放大器式电路原理,从原理上解决了单电容变间隙传感器的非线性问题。 实际上，Zi，K ，所以，存在一定非线性， Zi 、K很大，非线性很小。 U0与C0、U有关，所以需要高精度交流稳压源、高质量电容C 特别适合于结构上不能用差动电容传感器的场合。,2014,3 脉冲调制

10、电路,这种电路根据差动电容式传感器电容C1和C2的大小控制直流电压的通断，所得方波与C1和C2有确定的函数关系。线路的输出端就是双稳态触发器的两个输出端。当双稳态触发器的Q端输出高电平时，则通过R1对C1充电。直到M点的电位等于参考电压Ur时，比较器N1产生一个脉冲，使双稳态触发器翻转，Q端（A）为低电平，Q端（B）为高电平。这时二极管V1导通，C1放电至零，而同时Q端通过R2为C2充电。当N点电位等于参考电压Ur时，比较器N2产生一个脉冲，使双稳态触发器又翻转一次。这时Q端高平，C1处于充电状态，同时二极管V2导通，电容C2放电至零。,图3.2.3 差动脉冲宽度调制电路,2014,以上过程周

11、而复始，在双稳态触发器的两个输出端产生一宽度受C1、C2调制的脉冲方波。图3.2.4为电路上各点的波形。,2014,由图3.2.4看出，当C1=C2时，两个电容充电时间常数相等，两个输出脉冲宽度相等输出电压的平均值为零。当差动电容传感器处于工作状态，即C1C2时，两个电容的充电时间常数发生变化，T1正比于C1，而T2正比于C2，这时输出电压的平均值不等于零。输出电压为,2014,4 调频电路,这种测量电路是把电容式传感器与一个电感元件配合成一个振荡器谐振电路。当电容传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率产生相应的变化。再通过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后即可显示，这种

12、方法称为调频法。图3.2.5就是调频-鉴频电路原理图。调频振荡器的振荡频率由下式决定,调频式信号调节电路,2014,f0一般应选在此MHz以上。当传感器工作时，d0，则C0，振荡频率也相应改变f，则有,振荡器输出的高频电压将是一个受被测信号调制的调制波，其频率由上式决定。,调频式信号调节电路,式中，L为振荡回路电感；C为振荡回路总电容。振荡回路的总电容一般包括传感器C0C，谐振回路中的固定电容C1和传感器电缆分布电容CC。以变间隙式电容器为例，如果没有被测信号，则C=0，这时C=C1+C0+CC，所以振荡器的频率为,2014,在石油、化工、电力、食品、水处理、冶金、水泥等的生产过程中，有许多的

13、液位、料位需要测量，但是一些高压、真空、高温、低温、密封罐内的酸、碱、盐等强腐蚀液体、强震动等的液位、料位测量，却是许多种类的物、液位计望尘莫及的。 LP-5000系列电容式物位变送器有多种结构，可以使用于导电、绝缘的液体或固体颗粒的工作介质中。不但适用于普通的液体、固体颗粒的容器、槽、筒仓或 料斗的远距离连续料位测量。而且本产品以其能耐受恶劣的使用环境、高可靠等特点，可以应用于其它物、液位计工作困难的高压、真空、高温、低温、强腐蚀液 体、强震动等环境的液位、料位测量。,2014,1151系列电容式变送器是美国罗斯蒙特公司制造,具有设计新颖、品种齐全、安装使用简便、本质安全防爆等特点。尤以精度

14、高、体积 小、重量轻、坚固耐振、调整方便、稳定性高、单向过载保护特性好而著称。1151系列电容式变送器包括压力、差压、绝对压力、流量、液位等共九个品种及其选件，与我国推行的“IEC“标 准要求相符，其外形结构如图所示。,被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离膜片和元 件内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器，在无压力通入或两压力均等时测量膜片处于中间位置，两侧两电容器 的电容量相等，当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等，通过检测，放大转换成4-20mA的二线

15、制电流信号，压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。其结构原理如图所示。,2 1151系列电容式变送器,1）工作原理,2014,在软包装液体生产线(牛奶或其它饮料的生产线等)上，由于灌装设备的故障，有漏装或少装的情况发生。采用电容式接近开关，可以检测纸袋中(或塑料袋中)有无液体或是否装足装够的情况，如图所示。,3 作为开关用来检测软包装内的液体,当电容式接近开关检测到无牛奶或未装足牛奶的纸袋时，给出一个开关信号，等移动一个距离时，由推杆将不合格产品推出。 这里需要指出的是，可以透过罐、管道、瓶、纸袋、塑料袋来检测，但它们必须是非金属材料制成的。

16、,2014,4、非接触电容式位移传感器,非接触电容位移传感器可测量各种导电材料的间隙、长度、尺寸或位置。由于采用屏蔽环结构，无须附加电子线路，可实现高的线性测量。具有特别高的分辨率，以及稳定性。由于采用线性化措施，对绝缘材料也能测量。电容位移传感器使用场合要求干净，任何油污、尘埃、水等介质进入传感器间隙中，都将影响测量结果。,2014,位移测量,弯曲、波动 变形,移动、位移 位置、膨胀,振动、偏心 位置、膨胀,冲击、变形 轴向窜动,阀门位移 活塞移动,厚度、轮廓,偏心、直径 同心度,压缩机叶片 间隙、转速,2014,原理：变介质型 变极距型； 特点：非接触式测量 应用：纸张、绝缘薄膜等,厚度测量,2014,其他应用,