《第4章常用传感器原理及应用4-6》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章常用传感器原理及应用4-6（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、4 电容式传感器,一. 电容式传感器(Capacitance-type sensor) 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，通过电容式传感器元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经转换电路转换为电压、电流或频率以达到检测目的的一种传感器。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行检测。 二. 电容式传感器的检测对象 其主要检测对象为：位移、振动、角度、加速度等机械量及压力、差压、液面、料面、成份含量等热工参量。,电容式传感器的主要优点为： 1. 结构简单、适应性强。 2. 需要的动作能量低，动态响应好。 3. 灵敏度高。 4. 动态响应快。 5. 适应性强
2、。 6. 自热效应小，温度稳定性好。 7. 可实现非接触测量、具有平均效应。 电容式传感器的主要缺点有如下三点： 1. 寄生电容的影响较大。 2. 输出特性具有非线性。 3. 小功率、高阻抗。,三. 电容式传感器的主要优缺点,四. 电容式传感器的工作原理,电容式传感器的基本工作原理如图 4.4.1所示。 平板式电容器由两个金属极板构成。 在两极板间加上电压，电极上就贮存有 电荷，电容器即为一种贮存电场能的元 件。设两极板相互覆盖的有效面积为 S(m2)，两极板间距离为(m)，极板间 介质的介电常数与相对介电常数分别为 (Fm-1)与r，真空介电常数为0 (8.8510-12Fm-1)，在忽略电
3、容器的边缘 效应时，平板电容器的电容量为,C=S/=r0S/=f(,S,) (4.4.1),图4.4.1 平板电容器,由此可见，电容量是、S、的三元函数，当、S、某一个或几个参数发生变化，都会引起电容量C的变化，从而使输出电压或电流发生变化。实际制作电容式传感器时，常使、S、三个参数中的两个保持不变，仅改变其中的一个参数，且使变化的参数与被测量之间存在一定的函数关系，那么被测量的变化就可直接由电容量的变化反映出来。这就是电容式传感器的基本工作原理。,五. 电容式传感器的分类及结构,根据上述基本工作原理一般可制成三种类型。 1. 变极距(变间隙)式电容传感器 。 2. 变面积式电容传感器。 3.
4、 变介电常数式电容传感器。,图4.4.2 电容式传感器常见结构形式,六. 电容式传感器的静态特性,1. 变极距(变间隙)式电容传感器 由式(4.4.1)可知，当极距(极板间距)因被测量变化而引起改变量时，电容变化量为,(4.4.2),其中C0为极距为时的初始电容量。由(4.4.2)可知，变极距型电容式传感器存在着原理上的非线性误差，实际应用时，如同电感式传感器一样，常利用差动式结构来改善其非线性误差。,2. 变面积式电容传感器,对于变面积式平板形结构电容传感器，假设忽略极距的影响及边缘效应，则如图4.4.3(a)所示线位移平板式电容传感器两极板相对位移量为x时，电容变化量与灵敏度分别为,可见其
5、具有原理上的线性性，且其灵敏度为常数。如图4.4.3(b)所示线位移平板式电容传感器两圆柱极板相对位移量为x时，电容变化量为具有良好的线性性的形式,(4.4.3),(4.4.4),图4.4.3 变面积式线位移电容传感器结构原理图,3. 变介电常数式电容传感器,如图4.4.4所示，设被测介质()进入两极板之间的距离为x，其厚度为，忽略边缘效应，其输出特性为,(4.4.5),图4.4.4 变介电常数式平板线位移电容传感器结构原理图,七. 电容式传感器的主要性能,1. 静态灵敏度 电容式传感器的静态灵敏度是被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比。(同学自己推导三种不同类型的电容
6、式传感器的静态灵敏度),2. 非线性 变面积式与变介电常数式(除厚度测量外) 原理上具有很好的线性。由(4.4.2)式知，变极距(变间隙)式电容传感器具有原理上的非线性。实际应用时，如同电感式传感器一样，常利用差动式结构来改善其非线性误差。,采用差动式改善非线性特性,设变极距式电容传感器工作范围足够小(0.01m至零点几mm)，即/1，采用差动式结构，两电容极距变化为时，则由(4.4.2)式，两电容变化量按Tarlor展开式展开，得,取两电容之差为传感器输出量C，则,(4.4.6),(4.4.7),(4.4.7)式与(4.4.6)式相比，差动式非线性得到了极大地改善，其灵敏度也提高了1倍。,八
7、. 电容式传感器的应用,电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量。变极距型的适用于较小位移的测量，量程在0.01m至数百m、精度可达0.01m、分辨力可达0.001m。变面积型的能测量较大的位移，量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨力为0.010.001m。电容式角度和角位移传感器的动态范围为0.1至几十度，分辨力约为0.1，零位稳定性可达角秒级，广泛用于精密测角，如用于高精度陀螺和摆式加速度计。电容式测振幅传感器可测峰值为050m、频率为102kHz，灵敏度高于0.01m，非线性误差小于0.05m。,电容式
8、传感器还可用来测量压力、压差、液位、料面、成分含量(如油、粮食中的含水量)、非金属材料的涂层、油膜等的厚度，测量电介质的湿度、密度、厚度等等，在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。差动电容式压力传感器测量范围可达50MPa，精度为0.25%0.5%。电容式传感器厚度测量范围为几百微米，分辨力可达0.01urn。电容式接近开关不仅能检测金属，而且能检测塑料、木材、纸、液体等其他电介质，但目前还不能达到超小型，其动作距离约为1020 mm。静电电容式电平开关是广泛用于检测储存在油罐、料斗等容器中各种物体位置的一种成熟产品。 当电容式传感器测量金属表面状况、距离尺寸、振动振幅时，往往采
9、用单边式变极距型，这时被测物是电容器的一个电极，另一个电极则在传感器内。这类传感器属非接触测量，动态范围比较小，约为十分之几毫米左右，测量精度超过0.1m，分辨力为0.010.001m。,电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感器元件，通过电容式传感器元件将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再经转换电路转换为电压、电流或频率以达到检测目的的一种传感器。因此，凡是能引起电容量变化的有关非电量，均可用电容式传感器进行检测。其主要检测对象为：位移、振动、角度、加速度等机械量及压力、差压、液面、料面、成份含量等热工参量。,本节小结,5 压电式传感器,一. 概述 1. 压电式传感器 压电式传感器(Pi
10、ezoelectric transducer)是以某些晶体(电介质)在外力作用下，在其表面产生电荷的“压电效应”为转换原理的传感器，是一种典型的有源传感器(发电型传感器)。在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。 2. 压电式传感器的测量对象 压电式传感元件是力敏感元件，所以压电式传感器能测量最终能变换为力的各种物理量。如：力、应压力、加速度等，因而其应用较为广泛。,3. 压电式传感器的主要优缺点,优点：压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、工作可靠、结构简单、体积小、重量轻等优点。 缺点：压电式传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能为无穷大，在某种
11、意义上讲不适合于静态测量。 4. 压电式传感器发展现状 压电传感器是应用较多的一种传感器，近年来，由于电子技术的迅速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的应用更为方便。因此在工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域中，压电传感器的获得了广泛的应用。,二. 压电传感器的工作原理,压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。这些物质在沿一定方向受到力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应(Piezoelectric effect)。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电
12、元件。常见的压电材料有石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等。,对某一具有压电性的电介质，当沿着一定的方向对其施力而使其变形时，其内部就会产生极化现象，同时其某些表面上将产生等量而异号的电荷(电荷量与作用力大小成正比)；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称为(正)压电效应。 研究表明，正压电效应的产生是由于介质在外力作用下产生变形，而由变形产生电荷。因此，变形(S)是外力(F)与电荷(Q)之间的传递变量，外力所作机械功通过正压电效应转换成电场能，从而实现能量的传递。,1. (正)压电效应,压电介质除具有正压电效应外，还具有逆压电效应。在压电介质的极化方向上施加电场时，压电介质的某些方向会产生
13、正比于电场的变形，这种现象称为逆压电效应，或电致伸缩效应。 上述两种效应可简单表述为： 正压电效应：FSQ(E) 逆压电效应：ESF,2. 逆压电效应,1. 石英晶体及其晶轴 石英晶体是最常用的压电晶体之一，其化学式为SiO2。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。其天然结构石英晶体的理想外形图为一规则的六角棱柱体，如图4.5.1(a)所示。 在晶体学中，可将石英晶体以三根相互垂直的轴来表示，这三根轴统称为晶轴，如图4.5.1(b)所示，其规定为： Z轴：又称为光轴，它与晶体的纵轴线方向一致。 X轴：又称为电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴。 Y轴：又称为机械轴，它垂直于六面体相对的两个棱
14、面(与Z轴、X轴同时垂直)。,三. 石英晶体的压电效应,图4.5.1 石英晶体,2. 石英晶体的内部结构,石英晶体的化学式为SiO2，在每一个晶体单元中，它有三个硅离子和六个氧离子，后者是成对的，硅离子有4个正电荷，氧离子有两个负电荷。一个硅离子和两个氧离子交替排列，其在Z平面上的投影如图4.5.2所示。,图4.5.2 硅、氧离子在Z平面上的投影,3. 石英晶体的压电效应,石英晶体所以能够产生压电效应是与其内部结构分不开的。为讨论方便，我们将4.5.2中硅、氧离子的排列等效为图4.5.3(a)中的正六边形排列。其中“+”与“-”分别代表Si4+与2O2-。我们分下述几种情况分别讨论石英晶体受外
15、力作用时晶格的变化情况。,(1) 各方向外作用力均为0时：此时，由于正负离子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩。各方向外作用力均为0时，正负电荷相互平衡，其外部不呈带电现象。,(4) 仅受Y轴方向作用力时：此时类似于X轴受力的讨论， 为Y轴方向的拉力或压力使晶体所产生的形变分别与图4.5.3之(b)、(c)相同，由此可得结论：石英晶体沿Y轴方向受力时，仅在X轴方向产生压电效应，在Y、Z轴方向则不产生压电效应。这一压电效应称为“横向压电效应”。 (5) 仅受Z轴方向作用力时：此时晶体在X轴、Y轴方向上产生的形变完全相同(硅离子和氧离子对称平移)。
16、其正负电荷中心仍保持重合，电偶极矩矢量和仍为0，因而不产生压电效应。 (6) 受切向应力作用及其它复杂情况：我们将在后面简介对应情况的结果。,图4.5.3 石英晶体的压电效应,4. 石英晶体的切片,所谓晶体切片，即按一定的要求对晶体材料进行切割处理所获得的便于实际应用的晶体立体，简称为晶片，一般为沿轴线切割所得平行六面体。 如图4.5.4所示，根据石英晶体的压电效应，其晶面分别平行于X、Y、Z轴，以垂直于X轴方向的两面为电极面，其电极面一般采用真空镀模或沉银法获得。由前述石英晶体的压电效应可知，晶体受力方向与其晶面上电荷极性的关系如图4.5.5所示。,图4.5.4 晶体切片,图4.5.5 晶体切片上电荷符号与受力方向的关系,四. 压电陶瓷的压电效应,1. 压电陶瓷及其电畴 压电陶瓷具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。所谓电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此，原始状态的压电陶瓷对外呈中性，不具有压电效应。
