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1、第五章 电容式传感器,优点:测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。小功率、高阻抗;本身发热影响小。 由于材料、工艺,特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平,因此寄生电容的影响得到较好地解决,使电容式传感器的优点得以充分发挥。 应用:压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。,电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一,利用电容器的原理,将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置,称为电容式传感器,它实质上是一个具有可变参数的电容器。,电容传感器的特点,1电容式传感器的优点 (1)温度
2、稳定性好 传感器的电容值一般与电极材料无关,仅取决于电极的几何尺寸,且空气等介质损耗很小,只要从强度、温度系数等机械特性考虑,合理选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。,(2)结构简单,适应性强 电容式传感器结构简单,易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作,适应能力强,尤其可以承受很大的温度变化,在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作,能测超高压和低压差,也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小,以便实现某些特殊要求的测量。,(3)动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小,(约10-5N),需要的作用能量极小,又由于它的可动部分可
3、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MHz的频率下工作,特别适合动态测量。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,如测量振动、瞬时压力等。,(4)可以实现非接触测量、具有平均效应 当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。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。,电容式传感器除上述优点之外,还因带电极板间的静电引力极小,因此所需输入能量极小,所以特别适宜低能量输入的测量,例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨力非常高。,
4、2.电容式传感器的缺点 (1)输出阻抗高,负载能力差 电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制,一般为几十到几百pF,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106108。因此传感器负载能力差,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,必须采取屏蔽措施,从而给设计和使用带来不便。,容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十M以上),否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能(如灵敏度降低),为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。,高频供电虽然可降低传感器输出阻抗,但放大、传输远比低频时复杂,且寄生电容影响加大,难以保证工作稳定
5、。,(2)寄生电容影响大 传感器的初始电容量很小,而其引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。,“寄生电容” 降低了传感器的灵敏度,且是随机变化的,使传感器的工作不稳定,影响测量精度,其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量,致使传感器无法工作。因此对电缆选择、安装、接法有要求,(3)输出特性非线性 变极距型电容传感器的输出特性是非线性的,虽可采用差动结构来改善,但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时,输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加,使输出特性非线性。
6、,各种电容式传感器,5.1 工作原理与结构形式 (一)工作原理 用两块金属平板作电极可构成电容器,当忽略边缘效应时,其电容C为 S极板相对覆盖面积; d极板间距离;r相对介电常数; 0 真空介电常数,0 8.85pF/m; 电容极板间介质的介电常数。 d、S和r中的某一项或几项有变化时,就改变了电容C0、d或S的变化可以反映线位移或角位移的变化,也可以间接反映压力、加速度等的变化;r的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。,(二) 电容式传感器的类型 三种基本类型: 1)变极距(变间隙)(d )型,2)变面积型(S )型 角位移变面积型,板状线位移变面积型,同心圆筒形线位移电容式传感器,3)
7、变介电常数(r)型 (a) 单组式平板形厚度传感器,(b)单组式平板形线位移传感器,(c) 液位传感器,(c)圆筒式液位传感器,1、变极距型电容传感器,图中极板1固定不动,极板2为可动电极(动片),当动片随被测量变化而移动时,使两极板间距变化,从而使电容量产生变化 ,其电容变化量C为,d,2,变极距型电容传感器,1,该类型电容式传感器存在着原理非线性,所以实际应用中,为了改善非线性、提高灵敏度和减小外界因素(如电源电压、环境温度)的影响,常常作成差动式结构或采用适当的测量电路来改善其非线性。,C,C0,C- 特性曲线,C0极距为时的初始电容量。,差动式变间隙型电容传感器,动极板上移:,初始位置
8、时,,提高一倍,减小,略去高次项:,电容量的相对变化为 :,非线性误差为:,灵敏度:,2、变面积型电容传感器 变面积型电容传感器中,平板形结构对极距变化特别敏感,测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小,成为实际中最常采用的结构,其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为 l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度; r2、r1 圆筒内半径和内圆柱外半径。 当两圆筒相对移动l时,电容变化量C为,这类传感器具有良好的线性,大多用来检测位移等参数。,3、变介电常数型电容传感器 变介电常数型电容式传感器大多用来测量电介质的厚度、液位,还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料
9、的温度、湿度等。 若忽略边缘效应,单组式平板形厚度传感器如下图,传感器的电容量与被厚度的关系为,若忽略边缘效应,单组式平板形线位移传感器如下图,传感器的电容量与被位移的关系为,a、b、lx:固定极板长度和宽度及被测物进入两极板间的长度 ; :两固定极板间的距离; x、0:被测物的厚度和它的介电常数、空气的介电常数 。,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,液位传感器,h,C1,C,C2,可见,传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。,2r1,2r2,hx,(三) 电容式传感器的信号调节电路 1、 运算放大器式电路 其最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的
10、非线性。其原理如图 将Cx = 代入上式得,-A,uo,C,Cx,u,运算放大器式 电路原理图,负号表明输出与电源电压反相。显然,输出电压与电容极板间距成线性关系,这就从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性。这里是假设放大器开环放大倍数A=,输入阻抗Zi=,因此仍然存在一定的非线性误差,但一般A和Zi足够大,所以这种误差很小。,2. 电桥电路,电容传感器构成的交流电桥,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
11、(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。,3、二极管双T形电路 电路原理如图(a)。供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50的方波。若将二极管理想化,则当电源为正半周时,电路等效成典型的一阶电路,如图(b)。其中二极管VD1导通、VD2截止,电容C1被以极其短的时间充电、其影响可不予考虑,电容C2的电压初始值为UE。根据一阶电路时域分析的三要素法,可直接得到电容C2的电流iC2如下:,C2,UE,(b),R,R,RL,C2,C1,VD1,VD2,iC1,iC2,+,+,UE,(a),C1,C1,C2,UE,RL,RL,R,R,R,R,+,+,+,+,iC1,
12、iC2,iC1,iC2,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。,4、差动脉冲调宽电路 又称差动脉宽(脉冲宽度)调制电路 利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。,右图为差动脉冲调宽电路原理图,图中C1、C2为差动式传感器的两个电容,若用单组式,则其中一个为固定电容,其电容值与传感器电容初始值相等;A1、A2是两个比较器
13、,Ur为其参考电压。,5、 调频电路(见99页) 6、 谐振电路 (见100页),(四) 影响电容传感器精度的因素及提高精度的措施,1)温度对结构尺寸的影响 2)温度对介质介电常数的影响 3)漏电阻的影响 4)边缘效应与寄生参量的影响 5)增加原始电容值,减小寄生电容和漏电的影响,(五 ) 电容式传感器的应用,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。特点是体积小、性能优越、使用方便。,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板,另一个极板是物体本身,当物体移向接近开关时,物体和接近开关的介
14、电常数发生变化,使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体,并不限于金属导体,也可以是绝缘的液体或粉状物体。,湿度测量,发生湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。 当环境湿度改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化,其精度一般比湿敏电阻要低一些。,HM1500湿度传感器,在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境湿度进行测量及控制。,电容式键盘,常规的
15、键盘有机械式按键和电容式按键两种。电容式键盘是基于电容式开关的键盘,原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化,暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。理论上这种开关是无触点非接触式的,磨损率极小甚至可以忽略不计,也没有接触不良的隐患,具有噪音小,容易控制手感,可以制造出高质量的键盘,但工艺较机械结构复杂。,此种键盘即利用极距式电 容传感器以实现信息转换,指纹识别,指纹识别目前最常用的是电容式传感器,也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低,成像精度高,而且耗电量很小,因此非常适合在消费类电子产品中使用。 右图为指纹经过处理后的成像图:,指纹识别,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。,
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