机械工程测试技术基础-第七讲电容式传感器课件.ppt

1、湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院第四讲第四讲 传感器测量原理传感器测量原理电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电两平行极板组成的电容器容器,它的电容量为它的电容量为:AC0+A 上式中，哪几个参量是变量？上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容可以做成哪几种类型的电容传感器？传感器？湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+AC0+湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器电容式传感器 0A

2、C当极板距离减小 ，电容量为电容增量C00000000/1/)1/11(CAAACCC当 时，1/030200)()(CC湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院一般极板间距在25200um范围内，而最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移测量。当 时，略去非线性项，得 1/000CC电容传感器的灵敏度为 20ACS差动式结构：提高灵敏度，降低非线性，改变零点附近的线性度湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院b)b)面积变化型面积变化型AC0角位移型角位移型+电容式传感器电容式传感器 0(1)AA0000001(1)rCACCCd 00CCCC湖北工业大学机械学院湖北

3、工业大学机械学院AC0平面线位移型平面线位移型电容式传感器电容式传感器 n电容改变量与水平位移成线性关系 dbxaCCCr/)(00湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器电容式传感器 圆柱体线位移传感器圆柱体线位移传感器RBRAlx当x=0时，两筒完全覆盖ABRRlC/ln20当动极移动x后，其电容lxCCCABRRxl00/ln)(2lxCC0输入/输出具有湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院c)c)介质变化型介质变化型AC0电容式传感器电容式传感器 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院介质变化型介质变化型湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器电容式传感器

4、 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院xxKhArrhrrhC)/ln()(2)/ln(2120120液位传感器hC1CC22r12r2hx)/ln(2120rrhA)/ln()(2120rrKn若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传感器的电容量与被液位的关系为 电容式液位计具有湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院n厚度测量，温度、湿度测量 12drdSC/0电容C与介质厚度、介电常数的关系是非线性的！湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3 3 测量电路测量电路a)a)电桥电桥电路电路 电容式传感器电容式传感器 电桥电路电桥电路1)1)阻容交流电桥阻容交流电桥14231433(

5、)()osZ ZZ ZeeZZZZ湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件1423Z ZZ Z010402031423Z ZZ Z即即模平衡条件模平衡条件相位平衡条件相位平衡条件GADCB1Z4Z2Z3Z上式表明交流电桥有两个平衡条件，只有当两个平衡条件同时满足时，电桥才能达到平衡。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院0,RR纯电阻：电压电流同相，。,2uiCjZC 纯电容：电压滞后电流 ,.2 由交流电知识有：,2uiLZj L2纯电感：电压超前电流 ,。考虑电容、电感和电阻的相角，以及交流电桥平衡时必须满足的相位关系，必须合理搭配电桥中的四臂元件电桥

6、才能平衡。,4321湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院ADCBmV3R4R1R1C2R2C442223311111RZCjRZRZCjRZ各元件参数的平衡条件：24134231/CRCRRRRR湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院ADCB3R4R1R1C2R2C差动式电容器分别构成相邻臂放大器相敏检波滤波器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院差差动动电电容容传传感感器器电电桥桥 2)2)变压器式电桥变压器式电桥111ZjC1212()2scCCUUCC221ZjC2121()2scZZUUZZ2scUU湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 变压器式电桥变压器式电桥使用元件最少

7、，桥路内阻最小，因此目前较多采用。特点特点：高频交流正弦波供电；电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；输出阻抗很高(几M至几十M)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。LLC1C2K相敏解调滤波湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3)3)双双T T电桥电桥122(2)()()fscffR RRUR Uf CCRR湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院v 输出电压Uo不仅与电源电压的幅值和频率有关,而且与T型网络中的电容C1和C2

8、的差值有关v 当电源电压确定后,输出电压Uo是电容C1和C2的函数。该电路输出电压较高,当电源频率为 1.3MHz,电源电压Ei=46 V 时,电容从-7+7pF变化,可以在 1M负载上得到-5+5 V的直流输出电压。v 电路的灵敏度与电源幅值和频率有关,故输入电源要求稳定。电路特点：线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院运算放大器电路运算放大器电路 电容式传感器电容式

9、传感器 00000011iCUZIIjIjwCwC 011xCxxxxxUZIIjIjwCwC 00 xII00ixCUUC 00id CUUA 此式说明运算放大器的输出电压与极板间距离d呈线性关系。运算放大器电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题但要求Zi及K足够大。为保证仪器精度,还要求电源电压的幅值和固定电容C值稳定湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分。当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。高频、低频激励电压作用下电容传感器的等效电路电容式传感器电容式传感器 其它测量电路其它测量电路 湖北工业大学机械

10、学院湖北工业大学机械学院电容传感器的等效电路电容传感器的等效电路 LCf210111ej LRj Cj C湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院012012()fL CCC0012012()fffL CCCC调频电路调频电容传感器测量电路具有较高灵敏度,可以测至0.01m级位移变化量频率输出易于用数字仪器测量和与计算机通讯,抗干扰能力强,可以发送、接收以实现遥测遥控湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院脉冲宽度调制电路差动脉宽调制电路能适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性,且转换效率高,经过低通放大器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。湖北工业大学机

11、械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器的灵敏度及非线性电容式传感器的灵敏度及非线性讨论变极距型平板电容传感器的灵敏度及非线性。00011ddddCC当1/0dd时，则上式可按级数展开，故得.1 3020000 ddddddddcc000002000111rdCdACCCCdddddd 电容的相对变化量为湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院当 d/d0 1 时，可略去高次项,得到近似的线性：)11(000ddddcc电容传感器的灵敏度为001ddCCK 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初始间距d0有关,呈反比关系。提高灵敏度,应减小d,但d过小不但影响两极板移动的平衡性,而

12、且容易击穿。一般在极板间放置云母片或塑料膜。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院如果只考虑式中的线性项与二次项,则)11(000ddddcc由此可得出传感器的相对非线性误差为%100%100)(00dddddd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,减小非线性误差,大都采用差动式结构。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 在差动式平板电容器中,当动极板位移d时,电容器C1的间隙d1变为d0-d,电容器C2的间隙d2变为d0+d,则 20011CCdd在d/d01时,则按级数展开:10011CCdd.)()(1 302

13、0001ddddddcc.)()(1 3020002ddddddcc湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容值总的变化量为C=C1-C2=C0.)()(1 2402000ddddddcc.)(2)(2250300dddddd电容值相对变化量为 如果只考虑线性项和三次项,则电容式传感器的相对非线性误差近似为%100)(%100)(2)(22003dddddd 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。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器电容式传感器 电容传感器特点及应用电容传感器特点及应用特点：特点：分辨力极高（电容值分辨力极高（电容值10-7，相对

14、值，相对值100%200%，位移，位移0.01m）动极板质量小，惯性小，其固有频率很高，动态响应好；动极板质量小，惯性小，其固有频率很高，动态响应好；非接触，自身发热和功耗小；非接触，自身发热和功耗小；结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强，能结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强，能够承受高压力、高冲击、过载等情况。够承受高压力、高冲击、过载等情况。缺点：缺点：非线性；非线性；差动结构差动结构 寄生电容影响大。寄生电容影响大。双层屏蔽电缆，小型集成电路双层屏蔽电缆，小型集成电路湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院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

15、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至数百微米、精度可达0.01m、分辨率可达0.001m。变面积型的能测量量程为零点几毫米至数百毫米之间、线性优于0.5%、分辨率为0.01较大的位移，0.001m电容式角度和角位移传感器的动态范围为 0.1至几十度，分辨率约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。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院v电容式位移传感器v差动式电容测厚传感器v电容式

16、压力传感器v电容式加速度传感器v电容式料位传感器v电容式振动传感器v湿度测量v电容式键盘v电容传声器 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1-测杆：测杆：2-片簧：片簧：3-定极板；定极板；4-动极板：动极板：a)电容式位移传感器：电容式位移传感器：差动结构：差动结构：电容式传感器应用电容式传感器应用 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院一般变极板间距离电容式传感器起始电容在 20100pF之间,极板间距离在25200m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湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院原理：变介质型原理：变介质型 变极距型；变极距型；b)电容式厚度

17、传感器：电容式厚度传感器：特点：非接触式测量特点：非接触式测量应用：纸张、绝缘薄膜等应用：纸张、绝缘薄膜等电容式传感器应用电容式传感器应用 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院LHHLLHCCKPPKPCC=（）=c)电容式压力传感器：电容式压力传感器：电容式传感器应用电容式传感器应用 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院d)电容式加速度传感器：电容式加速度传感器：20002CdatCdd电容式传感器应用电容式传感器应用 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院e)电容式料位传感器电容式液位传感器电容式液位传感器（液位计（液位计/料位计）料位计）002(1)lnrhCCCDd 电容式传

18、感器应用电容式传感器应用 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院f)电容式振动传感器电容式传感器应用电容式传感器应用 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。压力变送器压力变送器电容式传感器产品电容式传感器产品 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器产品电容式传感器产品 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材它采用聚四氟乙烯材料作为振

19、动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。特点是体积小、性能优越、使用方便。电容式传感器产品电容式传感器产品 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器产品电容式传感器产品 混浊度测量计湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器产品电容式传感器产品 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 当燃油增大，h2增大，C也增大，即传感器的电容增大；燃油减少，h2减少，C也减小，即传感器的电容减少。这样

20、传感器就把油量的变化转换为电容的变化，通过测量电容的大小就能知道油量的多少。电容式传感器产品电容式传感器产品 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化.接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可

21、以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。电容式传感器产品电容式传感器产品 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器产品电容式传感器产品 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。电容式传感器产品电容式传感器产品 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院作业 P286 T4-19 T4-20湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院祝您成功！