电容式传感器原理和应用ppt精选课件

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1、 第4章电容式传感器 4 1工作原理和结构 1 4 2灵敏度及非线性 4 3特点及应用中存在的问题 3 4 4电容式传感器的测量电路 4 2 4 5电容式传感器的应用 5 概述 电容式传感器是实现非电量到电容量转化的一类传感器 可以应用于位移 振动 角度 加速度等参数的测量中 由于电容式传感器结构简单 体积小 分辨率高 且可非接触测量 因此很有应用前景 4 1电容式传感器的工作原理和结构 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 如果不考虑边缘效应 其电容量为 式中 电容极板间介质的介电常数 其中 0为真空介电常数 r为极板间介质相对介电常数 A 两平行板所覆盖的面积 d 两平行板之间的

2、距离 保持其中两个参数不变 而仅改变其中一个参数 就可把该参数的变化转换为电容量的变化 通过测量电路就可转换为电量输出 4 1电容式传感器的工作原理和结构 电容式传感器可分为变极距型 变面积型和变介质型三种类型 在实际使用时 电容式传感器常以改变改变平行板间距d来进行测量 因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度 改变平行板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移 而改变面积A的传感器只适用于测量厘米数量级的位移 4 1电容式传感器的工作原理和结构 4 1 1变极距型电容传感器下图为变极距型电容式传感器的原理图 当传感器的 r和A为常数 初始极距为d0时 其初始电容量为 图4

3、 1变极距型电容传感器原理图 4 1电容式传感器的工作原理和结构 若电容器极板间距离由初始值d0缩小 d 电容量增大 C 则有由式 4 3 知传感器的输出特性C f d 不是线性关系 而是如图4 2所示的曲线关系 在式 4 3 中 当时 则上式可简化为 此时C与 d呈近似线性关系 所以变极距型电容式传感器只有在 d d0很小时 才有近似的线性输出 4 1电容式传感器的工作原理和结构 由式 4 4 还可以看出 在d0较小时 对于同样的 d变化所引起的 C可以增大 从而使传感器灵敏度提高 但d0过小 容易引起电容器击穿或短路 图4 2电容量与极板间距离的关系 为防止击穿或短路 极板间可采用高介电常

4、数的材料 云母 塑料膜等 作介质 云母片的相对介电常数是空气的7倍 其击穿电压不小于1000kV mm 而空气的仅为3kV mm 因此有了云母片 极板间起始距离可大大减小 同时传感器的输出特性的线性度得到改善 一般变极距型电容式传感器的起始电容在20 30pF之间 极板间距离在25 200 m的范围内 最大位移应小于间距的1 10 故在微位移测量中应用最广 4 1电容式传感器的工作原理和结构 4 1 2变面积型电容式传感器上图是变面积型电容传感器原理结构示意图 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变 从而改变电容量 图4 3变面积型电容传感器原理图 4 1电容式传感器的工作原理和结构

5、 4 1电容式传感器的工作原理和结构 当动极板相对于定极板延长度a方向平移 x时 可得 式中为初始电容 电容相对变化量为很明显 这种形式的传感器其电容量C与水平位移 x是线性关系 因而其量程不受线性范围的限制 适合于测量较大的直线位移和角位移 它的灵敏度为 4 1电容式传感器的工作原理和结构 下图是电容式角位移传感器原理图 当动极板有一个角位移 时 与定极板间的有效覆盖面积就改变 从而改变了两极板间的电容量 当 0时 则 图4 4电容式角位移传感器原理图 4 1电容式传感器的工作原理和结构 式中 r 介质相对介电常数 d0 两极板间距离 A0 两极板间初始覆盖面积 当 0时 则从上式可以看出

6、传感器的电容量C与角位移 呈线性关系 4 1电容式传感器的工作原理和结构 4 1 3变介质型电容式传感器下图是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 图4 5电容式液位传感器结构原理图 4 1电容式传感器的工作原理和结构 设被测介质的介电常数为 1 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 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 即 可见此变换器的电容增量正比于被测液位高度h 4 1电容式传感器的工作原理和结构 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

7、或煤等非导电固体介质的湿度 下图是一种常用的结构型式 图中两平行电极固定不动 极距为d0 相对介电常数为 r2的电介质以不同深度插入电容器中 从而改变两种介质的极板覆盖面积 图4 6变介质型电容式传感器 4 1电容式传感器的工作原理和结构 传感器总电容量C为 式中 L0 b0 极板长度和宽度 L 第二种介质进入极板间的长度 若电介质 当L 0时 传感器初始电容 当介质进入极间L后 引起电容的相对变化为 可见电容的变化与电介质的移动量L呈线性关系 4 2电容式传感器的灵敏度及非线性 由以上分析可知 除变极距型电容传感器外 其它几种形式传感器的输入量与输出电容量之间的关系均为线性的 故只讨论变极距

8、型平板电容传感器的灵敏度及非线性 由式C C0 C0 d d0可知 电容的相对变化量为 当时 则上式可按级数展开 故得 4 2电容式传感器的灵敏度及非线性 由上式可见 输出电容的相对变化量 C C与输入位移 d之间呈非线性关系 当时 可略去高次项 得到近似的线性 电容传感器的灵敏度为 它说明了单位输入位移所引起输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系 4 2电容式传感器的灵敏度及非线性 如果考虑级数展开式中的线性项与二次项 则 由此可得出传感器的相对非线性误差 为 由以上三个式可以看出 要提高灵敏度 应减小起始间隙d0 但非线性误差却随着d0的减小而增大 在实际应用中 为了提高灵敏度 减小非线性

9、误差 大都采用差动式结构 4 2电容式传感器的灵敏度及非线性 下图是变极距型差动平板式电容传感器结构示意图 当差动式平板电容器动极板位移 d时 电容器C0的间隙d1变为d0 d 电容器C2的间隙d2变为d0 d则 图4 7差动平板式电容传感器结构 4 2电容式传感器的灵敏度及非线性 在时 则按级数展开 电容值总的变化量为 电容值相对变化量为 略去高次项 则 4 2电容式传感器的灵敏度及非线性 如果只考虑电容值相对变化量式中的线性项和三次项 则电容式传感器的相对非线性误差 近似为比较以上式子可见 电容传感器做成差动式之后 灵敏度提高一倍 而且非线性误差大大降低了 4 3特点及应用中存在的问题 4

10、 3 1电容式传感器的特点1 优点 温度稳定性好电容式传感器的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 而电阻传感器有电阻 供电后产生热量 电感式传感器有铜损 磁游和涡流损耗等 易发热产生零漂 结构简单电容式传感器结构简单 易于制造 易于保证 4 3特点及应用中存在的问题 高的精度 可以做得非常小巧 以实现某些特殊的测量 能工作在高温 强辐射及强磁场等恶劣的环境中 可以承受很大的温度变化 承受高压力 高冲击 过载等 能测量超高温和低压差 也能对带磁工作进行测量 动态响应好电容式传感器带电极板间的静电引力很小 约几个 需要的作用能量极小 又由于它的可

11、动部分可以做得很小很薄 即质量很轻 因此其固有频率很高 动态响应时间短 能在几兆赫 兹的频率下工作 特别适用于动态测量 又由于其介质损耗小可以用较高频率供电 因此系统工作频率高 它可用于测量高速变化的参数 可以实现非接触测量 具有平均效应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 电容式传感器具有平均效应 可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响 4 3特点及应用中存在的问题 4 3特点及应用中存在的问题 电容式传感器除了上述的优点外 还因其带电极板间的静电引力很小 所需输入力和输入能量极小 因而可测极低的压力 力和很小的加速度 位移等 可以做得很灵敏 分辨力

12、高 能敏感0 01 m甚至更小的位移 由于其空气等介质损耗小 采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小 因此允许电路进行高倍率放大 使仪器具有很高的灵敏度 4 3特点及应用中存在的问题 2 缺点 输出阻抗高 负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制 一般只有几个皮法到几百皮法 使传感器的输出阻抗很高 尤其当采用音频范围内的交流电源时 输出阻抗高达 因此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 严重时甚至无法工作 4 3特点及应用中存在的问题 寄生电容影响大电容式传感器由于受结构与尺寸的限制 其初始电容量都很小 几pF到几十pF 而连接传感器和电子线路的引线电缆电容 1

13、 2m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 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 4 3特点及应用中存在的问题 4 3 2应用中存在的问题1 电容式传感器的等效电路上节对各种电容传感器的特性分析 都是在纯电容的条件下进行的 这在可忽略传感器附加损耗的一般情况下也是可行的 若考虑电容传感器在高温 高湿及高频激励的条件下工作而不可忽视其附加损耗和电效应影响时 其等效电路如下图所示 图4 8电容式传感器的等效电路 4 3特点及应用中存在的问题 图中L包括引线电缆电感和电容式传感器

14、本身的电感 C0为传感器本身的电容 Cp为引线电缆 所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容 克服其影响 是提高电容传感器实用性能的关键之一 Rg为低频损耗并联电阻 它包含极板间漏电和介质损耗 Rs为高湿 高温 高频激励工作时的串联损耗电组它包含导线 极板间和金属支座等损耗电阻 4 3特点及应用中存在的问题 低频时 传感器电容的阻抗非常大 L和Rs的影响可忽略 等效电容Ce C0 Cp 等效电阻Re Rg 低频等效电路如下图所示 高频时 电容的阻抗变小 L和Rs的影响不可忽略 漏电的影响可忽略 其中Ce C0 Cp 而Re Rs 高频等效电路如下图所示 图4 9低频等效电路图4 10高频等效

15、电路 4 3特点及应用中存在的问题 根据高频等效电路 由于电容传感器电容量一般都很小 电源频率即使采用几兆赫 容抗仍很大 而Rg和Rs很小可以忽略 因此 此时电容传感器的等效灵敏度为当电容式传感器的供电电源频率较高时 传感器的灵敏度由kg变为ke ke与传感器的固有电感 包括电缆电感 有关 且随 变化而变化 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 4 3特点及应用中存在的问题 2 边缘效应以上分析各种电容式传感器时还忽略了边缘效应的影响 实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时 边缘效应的影响就不能忽略 这时对极板半径为r的变极距型电容传感器 其电容值应按

16、下式计算 边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低 而且产生非线性 4 3特点及应用中存在的问题 为了消除边缘效应的影响 可以采用带有保护环的结构 如下图所示 保护环与定极板同心 电气上绝缘且间隙越小越好 同时始终保持等电位 以保证中间工作区得到均匀的场强分布 从而克服边缘效应的影响 为减小极板厚度 往往不用整块金属板做极板 而用石英或陶瓷等非金属材料 蒸涂一薄层金属作为极板 图4 11带有保护环的电容传感器原理图 4 3特点及应用中存在的问题 3 静电引力电容式传感器两极板间存在静电场 因而有静电引力或力矩 静电引力的大小与极板间的工作电压 介电常数 极间距离有关 通常这种静电引力很小 但在采用推动力很小的弹性敏感元件情况下 须考虑因静电引力造成的测量误差 4 温度影响环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系 从而引入温度干扰误差 这种影响主要有两个方面 4 3特点及应用中存在的问题 1 温度对结构尺寸的影响 电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感 在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下 温度变化将导致极间隙较大的相对变化 从而产生很大的温度误差 在