电容式传感器.ppt

1第5章 电容式传感器工作原理、分类及应用主要特性参数典型测量电路电容式传感器的结构设计、温度影响及抗干扰措施251 工作原理、分类及工作原理、分类及应用应用一、基本工作原理：介质介电常数 s：极板面积：极板间距离 s 3思考:主要优、缺点：电容传感器能测哪些物理量?优点：1）分辨率高；2）动态特性好；3）对被测构件影响小；4）体积小；易于实现非接触测试；5）检测头结构简单；环境适应性较强，可以在恶劣环境下（高温、辐射、振动）工作。缺点：1）量程小；2）输出阻抗高；3）易受分布电容影响。4二、分类 1、变间隙电容传感器两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下产生相对位移，引起电容值变化。变间隙式一般用于微小位移的测量（小至：0.01微米）。A、按工作原理分类52、变面积电容传感器常用的有角位移型和线位移型两种。与变间隙型相比，适用于较大角位移及直线位移的测量。一般情况下，变截面积型电容式传感器常做成圆柱形。63、变介电常数电容传感器这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)。可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、密度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。7B、按结构分类平板式单体式差动式圆柱、圆筒式单体式差动式8abL(ba)其他结构：存在屏蔽时同一平面上两电极之间的电容 两根导线之间的电容9三、应用1-部分或整体绝缘的棍电极；3、4-拉紧或放松的绳电极：如果容器壁由导电材料制成，则只需装入电极1、3或4，容器壁作为另一电极与外壳相连（接地）。如果容器壁由非金属材料制成，需一个电极5配对，或用有内外电极的管式电极2。测量原理:电容器的上部为空气，下部为液体。液位变化时，电容器的电容变化值C与被测材料的液位高度x成线性关系。1、液位测量测液位、测物位测微位移测压力、力、加速度等配对电极双电极10液位监控:不需要探头的电容值在整个高度范围内线性变化，而是希望液位在达到极限位置时开关量输出发生变化。l和2是棍电极或绳电极，3是侧面安装的棍电极，倾斜安装可提高测试灵敏度，4是平面电极，可用于一些不能在内部插入电容探头的容器内的液位测量，如搅拌器。112、电容式料位传感器电容式料位变送器探头与容器壁形成一个电容器。电容极板（探头与容器壁）的表面积、两极板之间的距离及被测物料的介电常数决定电容量的大小。当探头固定安装于容器端面后，被测物料的介电常数不变时，电容值仅取决于被测物料的高度，并与物位成正比。12分段电容式物位计可以确定物料到达的位置，属于非连续测量。133、非接触电容式位移传感器非接触电容位移传感器可测量导体和绝缘体的位置和移动参数，称为接近觉传感器。对于导体：主电极为发射电极，被测物体为接受电极，次电极为保护环（驱动电极），与主电极同电位；采用屏蔽环结构，可以避免边缘电场，改善传感器的特性。14对于绝缘体：调制参数为等效介电常数。主电极为发射电极，外侧的防护环为接受电极；次电极为保护环（驱动电极），与发射电极同电位；电力线必须跨过驱动电极才能到达接受电极，因而扩大了测量范围。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。发射电极驱动电极接收电极15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（同轴度）压缩机叶片间隙、转速电容位移传感器的应用实例16电容式接近开关 结构：测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体本身。与电容式位移传感器的不同之处：输出开关量。17原理：变等效介电常数特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等电容式非金属材料厚度测量18其他应用19其他应用20特点高分辨率：变间隙电容传感器在小量程范围内有很高的分辨率和灵敏度。输入能量小：变间隙型电容压力传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置。电参量相对变化大：信噪比高，工作稳定。动态特性好：活动零件少、质量小、固有频率高。结构简单，环境适应性好：可以在振动、辐射环境下工作，采用冷却措施还可以在高温环境下工作。缺点：高输出阻抗和分布电容使其易受干扰。变间隙型量程小，线性差。215.2 主要特性主要特性一、特性曲线、灵敏度、非线性一、特性曲线、灵敏度、非线性1、变间隙式：s定极板动极板：极板间介质介电常数 0：真空介电常数 r：极板间介质相对介电常数：极板间距离 S ：极板面积 22灵敏度K与极板间距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。电容C与极板间距呈非线性关系。初始极板间距过小容易引起电容器击穿或短路-解决方法：采用耐高压的材料作介质（如云母、塑料膜等）。适合于微位移的测量。灵敏度分析：进一步分析：23非线性分析：略去2次方以上高次项：24C/C0 m用端基法求线性度：025拟合直线的斜率：理论拟合直线方程为：实际特性方程为：理论特性（端基直线）与实际特性之间的偏差为：C/C0mym m026最大绝对误差处满足：最大相对误差为：最大绝对误差：绝对误差为：27非线性误差随着0的减小而增大。为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。一般情况下，mC2UAU10tUAU10t62脉宽T1、T2的计算（U1=5V）:U1R1C1UM当t=T1时,UM=Uf.63设R1=R2=R，得：A点平均电压:B点平均电压:64仿真电路65C1=C2A点（Q)的波形B点（)的波形66C1C2C1C2A点（Q)的波形B点（）的波形A点（Q)的波形B点（）的波形67无论是变间隙、变面积电容传感器,位移和输出电压都是线性关系。输出为矩形波,只需经低通滤波器引出即可。不需要解调。将差动电容传感器的输出变化信号转换成有极性和大小输出的直流信号。要求精度高、稳定性好的直流电源。由于低通滤波的作用，对输出矩形波的波形精度要求不高。Conclusions：68五、运放式线路 K CxC0UUSCIXI0按理想运算放大器的条件：69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。USC与C0、U有关，所以需要高精度交流稳压源、高质量电容C0;适合较大初始电容的测量；适合于非差动电容传感器结构。7071讨论:如果传感器为圆柱液位型或变面积型,则应该将电容传感器引入运放的什么位置?为什么？输入反相端.72例题：现有一个测量范围为020mm的电容位移传感器，结构如图所示。已知L=25mm,R1=6mm,R2=5.7mm,r=4.5mm。圆柱C为内电极，AB为外电极，D为屏蔽套筒。B、C构成固定电容CF，CAC随活动套筒D的轴向移动而变化，构成变化电容Cx，拟采用理想运放电路。73求：1）设计电路，要求运放输出与位移成线性关系；2）活动杆轴向移动1mm引起的电容变化；3）输入电压Uin=6V时，测量灵敏度是多少？4）分析固定电容CF的作用；5）电容传感器与运放的连接导线对传感器的输出的影响。745.4 电容式传感器的结电容式传感器的结构、结构稳定性及抗干构、结构稳定性及抗干扰问题扰问题一、结构实例-差动电容式压差传感器75电容式差压变送器 高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置76电容式差压变送器内部结构 1高压侧进气口 2低压侧进气口 3过滤片 4空腔 5柔性不锈钢波 纹隔离膜片 6导压硅油 7 凹形玻璃圆片 8镀金凹形电极 9弹性平膜片 10 腔77感压膜片采用张紧式结构。感压腔内充灌温度系数小、性能稳定的硅油作为介质。可以承受超高压、小压差（过载保护能力强）P=P1-P2=100MPa-99MPa=2MPa-1MPa采用球面电极，改善传感器的特性。工艺要求高：张紧膜片与壳体的焊接是难点。说明：78由电子线路把差动电容转换成4-20mA(DC)的二线制电流信号.电容式压力（差）变送器.敏感元件电子部件机械接口及管路79二、电容式传感器结构稳定性问题二、电容式传感器结构稳定性问题1、温度变化对结构稳定性的影响、温度变化对结构稳定性的影响0:极板间隙；g0:固定极板厚度；b0:绝缘件厚度.0b0g0a0P环境温度变化t后，有：80温度误差与零件的尺寸、热膨胀系数有关;应减少尺寸链的组成环节;选用热膨胀系数小、几何尺寸稳定的材料如：石英、陶瓷、玻璃、镍铁合金等。其中尤以绝缘套材料为最重要。说明：说明：812、温度变化对介质介电常数的影响以同心圆柱式液位传感器为例:设液面高度为H,液体介电常数与温度的关系为:起始温度下的介电常数介电常数的温度系数液位82温度变化使得改变，引起电容量的变化为：83三、绝缘问题电容传感器电容量小、高阻抗，绝缘问题突出。解决措施：选择优质绝缘材料;装配前清洗干净，保证绝缘性;传感器壳体密封，防止水汽进入;采用较高频率的电源供电，以降低内阻抗，相应降低对绝缘电阻的要求.R漏电阻C84四、寄生电容的干扰及防止寄生电容：电容器极板与周围物体之间产生电容联系。寄生电容不稳定 传感器输出不稳定 产生干扰减小与周围物体电容联系的措施：1）采用屏蔽电缆，对传感器及其引线进行屏蔽；2）壳体接地。85屏蔽电缆寄生电容问题（屏蔽）电缆寄生电容较大（100pf/m），与传感器电容并联，电容相对变化量：电缆位置、形状改变使传感器输出发生变化。解决方法：将调理电路与传感器装入壳体中，构成整体式传感器。采用“驱动电缆技术”（双层屏蔽等电位传输技术）：等电位屏蔽法。86驱动电缆技术1：1测量线路内屏蔽层与引线之间处于等电位，两者之间没有电容联系。外屏蔽层仍起屏蔽作用。条件：交流放大器放大倍数为1、相移为零无穷大的输入阻抗，输入电容C=087采用LM310为驱动电缆放大器的跟随器时，输入和输出端的波形与频率的关系。f=50KHzf=100KHzf=200KHzf=500KHz88利用跟随器LM310为驱动电缆放大器的输入和输出端的波形与频率的关系。f=1MHzf=1.5MHzf=2MHz89运算放大器法：K优点:结构简单,省略了1:1放大器.问题:限制了传感器的电路结构形式，例如采用脉宽调制电路，无法实现。工程实例 棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。一、电容式液位计电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送器的区别在于：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。91智能液位限位传感器的设定指示部分设定按钮超限灯正常工作指示灯电源 指示灯按下设定92二、硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压,也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。93硅微加工加速度传感器原理 1加速度测试单元 2信号处理电路 3衬底 4底层多晶硅（下电极）5多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）94利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g 以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。95某型微机电三轴加速度传感器技术指标：灵敏度：500mV/g;量程：10g;频率范围：0.5-2000Hz;安装谐振点:8kHz;分辨力：0.00004g;重量：200g;安装螺纹：M5;线性误差：1%96加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器作为碰撞传感器。当负加速度值超过设定值时，处理器判断发生了碰撞，启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。假人气囊97气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气(0.01s)。98利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置99三、湿敏电容 利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。吸水高分子薄膜100多孔氧化铝湿敏电容传感器外形 湿敏电容模块及传感器外形101湿敏电容传感器的安装使用在野外的使用带报警器的家庭使用型102原理：采用柱筒式结构，液位改变了等效介电常数，通过测量电容计算液位。四.油量表103五、电容式接近开关被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。远距离式普通式全密封防水式104建筑墙体含水率测试系统：105 测试界面106电容式接近开关在液位测量控制中的使用监控吊水的液位107电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示108本章要点电容式传感器的工作原理及其分类电容式传感器的特点及抗干扰问题电容式传感器的测量电路电容式传感器的应用作业：51 52