传感器原理及应用第5章 电容式传感器概要

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1、传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,主要内容： 5.1 电容传感器工作原理和类型 5.2 电容传感器输出特性 5.3 电容传感器测量电路 5.4 电容式传感器的应用举例,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,概述,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,各种电容式传感器,概述,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,电容式传感器典型应用,概述,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、 加速度等机械量精密测量。现在逐渐应用于压力、 压差、液面、成份含量等方面的测量。 电容式传感器的特点是： 电容器容量小几十几百微法，具有高输出阻抗; 静电引力小（极

2、板间），工作所需作用力很小； 可动质量小,具有高的固有频率动态响应特性好； 功率小，本身发热影响小； 可以进行非接触测量。,5.1 电容传感器工作原理和类型,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,电容式传感器是将被测非电量变化成电容量的变化， 电容传感器工作原理可以用平板电容说明：,改变式中 S 极板面积，称变面积型传感器 极板距离，称变极距型传感器 介电常数，称变介质型传感器 真空介电常数 相对介电常数， 无介质时空气介质 r =1,5.1 电容传感器工作原理和类型,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,变极距型传感器,5.1 电容传感器工作原理和类型,传感器原理及应用,第5章 电容式传

3、感器,变面积型传感器,5.1 电容传感器工作原理和类型,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,变介质型传感器,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,初始电容,当 减小 时电容C增加,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,当 时，用泰勒级数展开,电容相对变化,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,忽略高次项,传感器灵敏度,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,讨论： 要提高传感器灵敏度 K 应减小初始极距 ， 但初始极距受电容击穿电压限制； 非线性随相对的位移 的增加而增加,为保证 线性度

4、应限制相对位移； 起始极距与灵敏度相矛盾，变极距型电容传感器 适合测小位移； 为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,差动结构的电容特征方程式为：,设C1增加，C2减小，且C1=C2,电容的总的变化量,5.2 电容传感器输出特性 1 变极距型（）,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,电容相对变化量,电容特征方程忽略高次项为：,传感器（差动式）灵敏度,相对非线性误差为,结论： 差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍； 非线性误差减小（多乘 因子）。,5.2 电容传感器输出特性 2 变面积型（S）,传

5、感器原理及应用,第5章 电容式传感器,平板电容：当动极板移动X后两极板间电容量为：,初始电容:,电容的相对变化量:,平板变面积型电容传感器灵敏度,结论： 变面积式电容传感器灵敏度K为常数； 输出特性为线性； 适合大位移测量。,5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（）,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,当某种介质在两固定极板之间运动时， 电容量与介质参数之间的关系为：,变介电常数式电容传感器分几种情况： 测介电常数 （粮仓、木材湿度） 测介质厚度 d(纸张、薄膜厚度）,5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（）,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,d为介质的厚度，d、S保

6、持不变， 改变 ，可作为介电常数的测试仪器。,介电常数 保持不变，S和一定， 改变介质厚度 d，可作为测厚仪器。,5.2 电容传感器输出特性 3 变介电常数式（）,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,测液位高度 （根据液体容器的形状计算）,5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,电容传感器中电容值变化都很微小，不能直接显示记录， 必须将电容变化转换为电流、电压的变化。 电容传感器的等效电路包括:传输线的电感L0、电阻R（小）;极板等效漏电阻Rg；传感器电容C0 ；A、B两端分布电容Cp， Cp常比C0还大。低频时Xc大，L、R可忽略，高频时Xc小

7、，L、R不可忽略，工作频率10MHz以上要考虑电缆电感L的影响，相当L、C串联，有一个谐振频率f0，当f=f0时串联谐振阻抗最小。,5.3 测量电路 1.电容传感器的等效电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,用金属屏蔽罩屏蔽电容转换元件，消除静电场和交变磁场； 前级紧靠转换元件或装在同一壳体内，避免信号长距离传输； 驱动电缆技术，驱动电缆技术是一种等电位屏蔽法。 原理是：连接电缆采用双层屏蔽，内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同。（跟随器）使传输电缆与内屏蔽层等电位，屏蔽线上有随传感器信号变化的电压，所以称（驱动电缆），从而消除芯线对内层屏蔽层的容性 漏电从而消除寄生电容的影响。 内外屏蔽之

8、间的电容是放大器 负载。这一方法可在10M距离不 影响传感器性能，保证电容1pF 时也能正常工作。可提高电容传 感器的稳定性。,5.3 测量电路 2.电桥电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,由电容转换元件组成的变压器式交流电桥测量系统。 单臂时，传感器C邻臂接一个固定电容C0与之相匹配； 差动形式传感器 是两个桥臂 交流电桥的输出电压为：,代入：,5.3 测量电路 2.电桥电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,输出电压与输入位移成理想线性关系,极板在中间位置时 动片上移时电容变化,5.3 测量电路 2.电桥电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,交流电桥的多种形式,5.

9、3 测量电路 3. 二极管双T型电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,VE是高频对称方波电源， D1、D2特性相同二极管 C1、C2传感器差动电容 R 固定电阻，RL负载。 一个周期内RL上的平值 电压为：,一个周期内负载RL上输出电压URL与电源电压VE幅值、 频率f有关;与电容的差值(C1-C2)成正比,5.3 测量电路 3. 二极管双T型电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,双T型电路工作原理分析 正半周D1导通D2截止C1充电； 负半周D1截止D2导通C2充电； If =I1+I2，If =I1+I2 C1 = C2时，If = If,5.3 测量电路 4差动脉冲调宽电

10、路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,电路原理图,电路组成：A1、A2比较器；FF双稳态触发器； VD1、VD2与电阻组成充放电回路；Uf参考直流电压; 双稳态作输出;电容Cx1、Cx2为传感器差动电容。,电路分析： 设接通电源时A高B低，R1对C1充电C点上升到Uf，比较器A1输出极性改变，触发器翻转；A低B高，D1道通C1放电；同时B点经C2充电使A2翻转。,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,5.3 测量电路 4差动脉冲调宽电路,波形图,C1= C2，UC、UD放电时间相同，输出平均电压U0=0； C1C2，输出平均电压 U00 ，若C1C2，输出A、B两点的平均值等于UA、U

11、B之差。 双稳态的两个输出端各产生一调制脉冲，脉冲宽度受C1、C2调制。输出为两端之差,低通输出,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,5.3 测量电路 4差动脉冲调宽电路,若R1=R2,变面积型,变极距型,输出电压,5.3 测量电路 5运算放大器式电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,设K为理想运放; Cx传感器电容, Co固定电容;,输入端,输出端,对于单极板平板电容器 传感器运放输出可以为：,输出电压U0与机械位移X（）成线性关系，解决了单电容的非线性关系。,5.3 测量电路 6调频电路,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,谐振曲线,调频测量电路把电容传感器作为振荡器谐振回

12、路的一部分，当输入被测信号使电容发生变化时，振荡器的振荡频率发生变化。 由于系统是非线性的，必须加入鉴频器将频率变化转化换为电压的变化。,5.4 电容式传感器的应用举例 1.电容式料位计,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,用于水泥、化工、罐装 等传感器静电容：,电容测深度、角度 动画演示,检测电极为电容的一个极，罐子的外壳为电容的另一个极。第一项是静电容C0：,5.4 电容式传感器的应用举例 2电容式压力传感器,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,结构： （金属弹性膜片）动片；两个玻璃球面上镀有金属定片； 膜片左右两侧充满硅油。 工作过程：当两室分别承受低压（PL）和高压（PH）时，

13、 硅油能将压差传递到测量膜片，,当PH=PL时，膜片处于中间位置，C1=C2； 当有差压作用时，测量膜片产生形变： PH PL时，膜片PL向弯曲，C1C2； 将这种电容变化通过 电路转换为电压变化,5.4 电容式传感器的应用举例 2.电容式压力传感器,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,电容传感器 盒膜片结构,工业生产流程自动控制中膜片式压力计是常用的一种，电容膜片压力传感器分两种： 计示压力计（表压） 以大气为基准测管道、箱内、罐中压力； 绝对压力计 以绝对真空为基准测量蒸发罐、反应罐中的压力。,压力传感器/变送器基础知识,一、压力的基本概念 1、压强（Pressure)与压力（Pres

14、sure，force)： 2、压强与压力（Pressure)的单位： 压强：帕斯卡（Pa），压力：牛顿（N）。 3、区分客户所说压力与压强。 4、单位换算： 1bar=1.0105Pa=100kPa=14.7PSI=0.1MPa=760mmHg=10mH2O 1PSI=6.89KPa,1公斤压力=0.98105Pa=1千克力/厘米2 1inchH2O=250Pa,压力传感器/变送器基础知识,二、压力类型 1、绝压（Absolute,A),以真空为标准 2、表压（Guage,G)，以当地大气压为标准。 3、差压（Differential,D)，测试两端压力差值。 4、密封表压（Vent Guag

15、e,VG)，以标准的大气压为标准。,压力传感器/变送器,压力芯体、压力敏感元件 1、表贴封装（测试气压） 2、双列直插式封装（测试气压） 3、TO-8封装（测试气压）,压力传感器/变送器,主要应用场合： 航天航空军工场合，例如：风洞压力测试、涡轮机、 叶轮机压力测试，钻井压力测试、高温、低温压力测试,压力芯体、压力敏感元件 4、不锈钢封装（测试液压和气压）,5.4 电容式传感器的应用举例 3电容板材在线测厚仪,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。 带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。变压器式输出电桥。 或用运放电路 输出为：,5.4 电容式传感器的应用举例 4电容测位移,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,5.4 电容式传感器的应用举例 5.力平衡式加速度传感器,传感器原理及应用,第5章 电容式传感器,力平衡式传感器系统是先将被测量转换成力或力矩,然后用反馈力与它平衡，可测加速度、角速度、压力变量、电功率等等。目前主要应用于超低频、低加速度测量，是惯性导航系统中不可缺少的关键元件。,在导弹的惯性系统平台上，沿三个坐标安装三只力